Nicolas Léonard Sadi Carnot

gigatos | Febbraio 16, 2023

Post Views: 8

Riassunto

Nicolas Léonard Sadi Carnot è stato un fisico e ingegnere francese, nato il 1° giugno 1796 a Parigi e morto il 24 agosto 1832 a Ivry-sur-Seine o a Parigi.

Nella sua breve carriera (morì di colera all”età di 36 anni), Sadi Carnot pubblicò un solo libro (come Copernico): Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance, nel 1824, in cui espresse, all”età di 27 anni, quello che si rivelò essere il lavoro della sua vita e un libro importante nella storia della fisica.

In questo lavoro gettò le basi di una disciplina completamente nuova, la termodinamica. All”epoca il termine non esisteva: fu William Thomson a inventarlo a metà del XIX secolo. Tuttavia, fu Sadi Carnot, nonostante l”imprecisione di alcuni suoi concetti (l”accettazione della teoria del calore e dell”assioma della conservazione del calore), a scoprire questa scienza tanto fondamentale dal punto di vista teorico quanto fruttuosa in termini di applicazioni pratiche.

Sadi Carnot formulò il racconto ragionato del motore termico e i principi fondamentali in base ai quali oggi viene progettata qualsiasi centrale elettrica, motore a esplosione o a reazione. È ancora più sorprendente che questa genesi abbia avuto luogo quando nessun predecessore aveva ancora definito la natura e la portata dell”argomento. Basato su preoccupazioni puramente tecniche, come il miglioramento delle prestazioni del motore a vapore, il percorso intellettuale di Sadi Carnot è originale e preannuncia importanti sviluppi che hanno avuto luogo in un momento cruciale per la scienza moderna.

Figlio primogenito di Lazare Carnot (1753-1823), noto come “il Grande Carnot” o “l”organizzatore della Vittoria”, Sadi Carnot nacque a Parigi, nel palazzo del Petit-Luxembourg, dove il padre, uno dei cinque direttori esecutivi della Repubblica, aveva i suoi appartamenti ufficiali. Il suo nome di battesimo deriva dal nome del poeta persiano Saadi di Shiraz, molto ammirato dal padre.

All”epoca della nascita di Sadi, Lazare Carnot era all”apice della sua carriera. Matematico e ingegnere, allievo di Gaspard Monge e autore di un saggio sulle macchine in generale (1783), Lazare Carnot era anche un soldato, un leader di uomini e un rivoluzionario. Eletto all”Assemblea Costituente del 1789 e poi alla Convenzione, votò per la morte del re Luigi XVI. Durante le guerre della Rivoluzione francese, all”interno del Comitato di Pubblica Sicurezza, acquisì il soprannome di “organizzatore della Vittoria”. Dopo essere stato membro del Direttorio, fu ministro della Guerra di Napoleone Bonaparte per sei mesi nel 1800 e poi ministro dell”Interno durante i Cento Giorni del 1815. Nell”ottobre dello stesso anno, dopo la sconfitta di Napoleone, fu esiliato come regicida. Visse in Belgio, poi in Polonia e in Germania, dove morì, senza mai tornare in Francia.

Sua madre, Sophie Dupont (1764-1813), proveniva da una famiglia benestante di Saint-Omer.

Sadi Carnot aveva un fratello minore, Hippolyte Carnot (1801-1888), che ebbe una carriera politica: deputato dal 1839 al 1848, ministro dell”Istruzione nel 1848, si rifiutò di sostenere il Secondo Impero e divenne nuovamente deputato sotto la Terza Repubblica, per poi essere eletto al Senato nel 1875 e membro dell”Académie des sciences morales et politiques nel 1887. Sadi Carnot era lo zio di Marie François Sadi Carnot (noto anche come Sadi Carnot), eletto Presidente della Repubblica francese nel 1887 e assassinato nel 1894 dall”anarchico Sante Geronimo Caserio.

Non si sposò mai e non ebbe discendenti.

I primi anni

In seguito al colpo di Stato del 4 settembre 1797, Lazare Carnot è costretto a lasciare la Francia, situazione che si protrae fino al gennaio 1800, quando viene graziato da Bonaparte; durante questo periodo, Sadi Carnot vive con la madre nella casa di famiglia a Saint-Omer. Nell”agosto 1807, Lazare Carnot, tornato a vita privata con la soppressione del Tribunato, decide di occuparsi dell”educazione dei suoi due figli, insegnando loro matematica, scienze, lingue e musica.

Nel 1811, Sadi Carnot entrò al Lycée Charlemagne, nella classe preparatoria di Pierre-Louis Marie Bourdon, per prepararsi all”esame di concorso per l”École Polytechnique. Avendo raggiunto l”età minima di 16 anni il 1° giugno 1812, Sadi Carnot poté sostenere l”esame di concorso nell”agosto successivo, dove fu accettato al 24° posto su 179 e incorporato nella seconda divisione il 2 novembre.

Politecnico

Nel 1812-1813, i corsi funzionarono normalmente nonostante le battute d”arresto subite dagli eserciti imperiali. I suoi insegnanti furono Reynaud per l”analisi, Poisson per la meccanica, Hachette per la geometria descrittiva, Louis Jacques Thénard per la chimica generale e applicata, Jean-Henri Hassenfratz per la fisica e François Arago per il calcolo infinitesimale e la teoria delle macchine. Durante questo primo anno, ricevette anche l”insegnamento di uomini come Alexis Petit per la fisica e Pierre Louis Dulong per la chimica, di cui utilizzò in seguito il lavoro. Sembra che si pensasse addirittura di trasferirlo immediatamente alla sezione di artiglieria della Scuola di Metz nell”ottobre 1813, ma che alla fine lo si considerasse troppo giovane.

Il secondo anno si rivelò meno fruttuoso in termini di insegnamento. Alla fine di gennaio del 1814, l”integrazione degli studenti in tre compagnie del corpo di artiglieria della Guardia Nazionale interruppe gradualmente il progresso dell”insegnamento. Il 29 e 30 marzo 1814, Sadi Carnot, che era uno dei sei caporali della compagnia, combatté con il battaglione politecnico e si trovò sotto il fuoco di una scaramuccia innocua nella difesa del forte di Vincennes contro gli alleati; questa fu probabilmente la sua unica esperienza di battaglia. Le lezioni ripresero il 18 aprile, ma Sadi tornò solo il 12 maggio. Il 12 ottobre 1814 fu dichiarato idoneo al servizio pubblico, decimo nella lista generale dei 65 studenti rimasti nella sua classe. Fu inserito al 5° posto nella lista speciale dei dieci studenti ammessi al genio militare come sottotenenti presso l”École d”application de l”artillerie et du génie di Metz. Questo segnò la fine di un periodo chiave della sua formazione, a cui fece riferimento quando pubblicò le sue Réflexions firmando la sua opera “Sadi Carnot, ex studente dell”Ecole Polytechnique”.

Scuola Metz

Sadi Carnot ricevette il brevetto di cadetto ingegnere il 1° ottobre 1814 ed entrò all”École de Metz negli ultimi giorni del 1814 dopo un periodo di riposo. In questa prestigiosa scuola di applicazione, erede della Scuola Reale di Ingegneria di Mézières, seguì i corsi di matematica applicata e fisica di François-Marie Dubuat e Jacques Frédéric Français, quelli di chimica applicata alle arti militari e di pirotecnica di Chevreuse. Il suo brevetto di sottotenente nel 2° reggimento di genieri, che segna il suo diploma e il suo effettivo ingresso nella carriera militare, è datato 2 aprile 1817. Secondo la tradizione, gli fu subito concesso un congedo di tre mesi, che prolungò fino al 15 ottobre 1817, la maggior parte dei quali trascorse probabilmente nella casa di famiglia a Nolay con lo zio, il tenente generale Carnot de Feulins.

Primi incarichi

Con l”avvento della pace nel 1815, fu costretto alla routine della guarnigione, con poche prospettive. Essendo figlio di un leader repubblicano in esilio, era considerato insicuro, per cui il suo posto di lavoro fu organizzato lontano da Parigi.

Sadi Carnot fu regolarmente trasferito, ispezionando fortificazioni, elaborando piani e scrivendo numerosi rapporti. Ma le sue raccomandazioni furono apparentemente ignorate; la sua carriera ristagnò.

L”ordinanza del 6 maggio 1818 istituì un corpo di stato maggiore reale e una scuola di formazione per lo stato maggiore dell”esercito. Il 15 settembre 1818, Sadi Carnot ottenne un congedo di sei mesi per prepararsi all”esame di ammissione a Parigi.

Leggi anche, biografie – Arshile Gorky

Installazione a Parigi

Con decreto del 20 gennaio 1819, fu ammesso allo stato maggiore di Parigi con il grado di tenente e messo in congedo, ricevendo due terzi della sua paga lorda come lavoratore scientifico. Abitando accanto allo zio Joseph in un piccolo appartamento nel quartiere del Marais, che occupò fino alla metà del 1831, Sadi Carnot frequentò le lezioni alla Sorbona e al Collège de France, ma non l”École des Mines, per la quale aveva bisogno dell”autorizzazione dell”amministrazione superiore, che non richiese mai, e dove avrebbe potuto incontrare il giovane Emile Clapeyron. Fu studente al Conservatoire National des Arts et Métiers, dove Clément-Desormes teneva un corso di chimica applicata alle arti e Jean-Baptiste Say un corso di economia industriale. Frequenta anche il Jardin des plantes e la Biblioteca del Re, ma anche il Museo del Louvre e il Teatro Italiano di Parigi. Sadi Carnot si interessa ai problemi industriali, visita officine e fabbriche, studia la teoria dei gas e le più recenti teorie di economia politica. Lascia proposte dettagliate su problemi attuali come le tasse, ma la matematica e le arti lo affascinano.

I membri del circolo che frequentava erano radicali e repubblicani, e i suoi amici più stretti erano Nicholas Clément e Charles Desormes, uomini di scienza e chimici industriali, redattori di un “Mémoire sur la théorie des machines à feu” e gli unici fisici con cui entrò effettivamente in contatto prima di scrivere le Réflexions.

Durante l”estate del 1820 Sadi rivide il fratello Hippolyte, che era venuto a trascorrere qualche giorno in Francia e che viveva con il padre. Il 23 giugno 1821 il Ministero della Guerra gli concesse un permesso non retribuito per visitare il padre in esilio a Magdeburgo. Lì, insieme al padre, iniziò a interessarsi alle macchine a vapore, dato che proprio a Magdeburgo, tre anni prima, era stata costruita la prima macchina. Al suo ritorno a Parigi, iniziò a riflettere su quella che divenne nota come termodinamica. I suoi primi lavori importanti risalgono al 1822-1823. Quando il padre morì nell”agosto del 1823, il fratello Hippolyte tornò a Parigi e lo aiutò con i suoi scritti “per far sì che fossero compresi da persone dedite ad altri studi”. Dopo la sua liberazione, Sadi si tenne lontano dalle correnti politiche che attiravano la gioventù liberale, né sembrò attratto da gruppi scientifici organizzati come la Société philomathique de Paris, i cui membri ambivano a entrare nell”Académie des Sciences. Partecipò tuttavia a una riunione del Politecnico-industriale, dove sembra che abbia presentato una formula per rappresentare la forza motrice del vapore.

Fine della disponibilità

Nell”ottobre 1824, il tenente di stato maggiore si chiama Sadi e svolge lavori topografici sulla strada da Coulommiers a Couilly-Pont-aux-Dames. Nel 1825 fece un lavoro simile sulla strada da Villeparisis al traghetto di Gournay-sur-Marne. Il 10 dicembre 1826 fu firmata l”ordinanza che organizzava il corpo di stato maggiore reale e il 31 dicembre Sadi fu distaccato presso il 7° reggimento di fanteria di guarnigione a Thionville. “Impegnato in questioni di interesse che non potevo abbandonare all”improvviso senza subire perdite molto rilevanti per me”, Sadi ottenne un congedo di tre mesi a metà stipendio. Il 6 marzo 1827 ripete la sua richiesta, sottolineando la sua scarsa attitudine al servizio in fanteria e ottiene il reintegro nel Genio dal 25 marzo 1827 e la prosecuzione dell”aspettativa, questa volta senza stipendio, fino al 15 settembre 1827. Dopo una riorganizzazione del personale, fu inviato ad Auxonne, un”antica roccaforte della Côte d”Or. Il 27 settembre 1827 fu promosso al grado di secondo capitano del Genio.

Dimissioni

Il 21 aprile 1828, Sadi offre le sue dimissioni dall”esercito “per la gestione dei miei affari personali e in particolare per la cura da prestare a una causa in cui sono interessato, sono ben lontano dal vederne la fine, visto che la mia posizione non mi mette in condizione di svolgere oggi i miei compiti senza compromettere ciò che possiedo”. Il 19 maggio 1828 il Ministero della Guerra accettò le sue dimissioni: da quando aveva lasciato la Scuola di Metz, Sadi Carnot aveva compiuto appena quindici mesi di servizio militare attivo, compresi i rilevamenti topografici. Per quanto riguarda il processo in cui sembra essere stato coinvolto, è difficile saperne di più, anche se nella sua rubrica viene citato il nome di Giraudeau, che aveva uno studio legale in rue Sainte-Anne. Pur non avendo raggiunto lo status di demi-solde, Sadi poteva ora tornare a Parigi e dedicarsi a una vita di studi e ricerche personali.

Il padrino di Sadi, il nonno materno Dupont, alla sua morte nel 1807 gli aveva lasciato quasi un milione di franchi d”oro, di cui Lazare Carnot aveva ricevuto un terzo. La quota di eredità di Sadi gli permise di condurre la vita tranquilla di un modesto pensionato, ma questa vita priva di ardore e dinamismo fu indubbiamente resa necessaria dalla sua salute cagionevole. Interrogato sulla sua professione dal bibliotecario Ambroise Fourcy per la sua Histoire de l”École polytechnique, Sadi Carnot si dichiarò “costruttore di macchine a vapore”. Tuttavia, il suo nome non compare in nessun elenco di costruttori come quello pubblicato ogni anno nell”Almanacco Bottin. Aveva intenzione di intraprendere questa professione, svolgeva il ruolo di ingegnere consulente, prestava denaro a un costruttore o era solo uno scherzo? Va inoltre notato che Sadi Carnot non ha mai depositato alcun brevetto e che non ha ricoperto una cattedra o un posto di esaminatore presso l”École centrale des arts et manufactures, creata nel 1829 e incaricata di formare ingegneri per l”industria privata. Il 17 agosto 1830 fu creata l”Associazione Politecnica, che riuniva gli ex studenti della scuola e alla quale Sadi Carnot aderì immediatamente.

L”ordinanza del 10 febbraio 1831 prevedeva la creazione di una compagnia di artiglieri in ogni arrondissement e “dopo alcune piccole molestie, a volte molto insignificanti” Sadi fu ammesso all”ottava compagnia di artiglieria con il grado di sottufficiale o caporale al massimo.

Nell”agosto del 1831, la pubblicazione di due memorie di Pierre Louis Dulong lo spinse a riprendere il suo lavoro sulle proprietà fisiche dei gas. Nello stesso anno, subisce un attacco di scarlattina e si ammala gravemente, con attacchi di delirio per un certo periodo. Nell”aprile del 1832, la Revue Encyclopédique riporta il lavoro del barone Blein in un articolo firmato S.C., probabilmente Sadi Carnot. Il ritratto che l”artista Despoix fece di Sadi in questo periodo mostra il volto di un uomo stanco, con uno sguardo preoccupato, il cui equilibrio mentale non sembra più assicurato.

Il suo stato di salute gli impedisce di partecipare alla riunione dell”Associazione Politecnica del 20 giugno 1832 e Hippolyte annota nella sua nota bibliografica che “l”eccessiva applicazione a cui si è abbandonato lo ha fatto ammalare verso la fine di giugno 1832″. Il 3 agosto fu ricoverato nella casa di cura del medico alienista Jean-Étienne Esquirol, situata al 7 di rue de Seine (oggi rue Lénine), dove quest”ultimo diagnosticò la mania, cioè un delirio generalizzato con eccitazione. Poco dopo, il registro della casa di cura di Ivry indica “guarito dalla mania, morì il 24 agosto 1832 di colera”. Il decesso fu dichiarato lo stesso giorno al municipio di Ivry dall”economo della casa di cura, apparentemente in modo da evitare qualsiasi riferimento, come se avesse ricevuto istruzioni da Hippolyte. Hippolyte dovette anche dichiarare il decesso al municipio del 12° arrondissement. Il funerale civile fu celebrato in condizioni di quasi anonimato. Fu sepolto nell”antico cimitero di Ivry-sur-Seine. Dopo la sua morte, i suoi effetti personali (compresi gli archivi) furono bruciati per evitare la diffusione della malattia.

Contesto tecnico-scientifico

Per comprendere il libro di Sadi Carnot e apprezzarne l”originalità, è necessario precisare la situazione della scienza e della tecnologia nel settore in esame nel secondo decennio del XIX secolo.

Quando il giovane Sadi Carnot entrò all”École Polytechnique, l”unica scienza consolidata, basata sulla matematica, era la meccanica. La chimica, l”elettricità, il magnetismo e il calore stavano facendo rapidi progressi, ma non avevano raggiunto lo stadio dell”astrazione matematica.

La scienza del calore era stata resa possibile dall”invenzione del termometro nel XVII secolo (in particolare il termometro di Santorio), ma rimaneva una preoccupazione di chimici e medici. Essi avevano proposto l”assioma della conservazione del calore, che allora concepivano come una sostanza: il “calorico”.

Il lavoro di Benjamin Thompson (Lord Rumford), Pierre-Simon de Laplace, Jean-Baptiste Biot, Siméon Denis Poisson e Joseph Fourier ha permesso a matematici e fisici di interessarsi al calore, in particolare agli studi sul trasferimento di calore.

Allo stesso tempo, i meteorologi stavano acquisendo una migliore comprensione del ruolo del calore nel sistema dei venti o delle correnti oceaniche, che era visto come la grande forza motrice del mondo. In particolare, il riscaldamento e il raffreddamento adiabatico dell”aria venivano invocati per spiegare osservazioni sul campo come la stabilità dei campi di neve all”equatore.

I primi motori a vapore di applicazione pratica apparvero all”inizio del XVIII secolo e funzionavano come segue: il vapore veniva usato per forzare l”aria fuori da un cilindro, che veniva poi raffreddato in modo che il vapore si condensasse e la pressione atmosferica esterna facesse ricadere il pistone verso il basso. Il vapore veniva poi fatto rientrare nel cilindro e il ciclo si ripeteva (vedi la macchina di Thomas Newcomen). Queste macchine erano lente e irregolari nel funzionamento, ma si prestavano bene al pompaggio dell”acqua dalle miniere. In questo contesto, l”acqua era la sostanza di lavoro più adatta, soprattutto perché si espande fino a circa 1800 volte il suo volume originale quando si trasforma in vapore.

Nel 1760, per eliminare lo spreco del riscaldamento e del raffreddamento alternato del cilindro, James Watt condensò il vapore in un cilindro freddo separato, o condensatore, mentre il cilindro principale veniva mantenuto sempre caldo. Inoltre, usava il vapore caldo per abbassare il pistone nel cilindro, riducendo così ulteriormente la perdita di calore. Watt notò che si poteva ottenere un notevole risparmio se l”alimentazione del vapore veniva interrotta prima che il pistone si muovesse nel cilindro: il vapore intrappolato avrebbe continuato a muovere il pistone verso il basso con una pressione leggermente decrescente. Quando il vapore passava nel condensatore, gli rimaneva una certa “elasticità” (pressione): questa era chiamata azione di espansione. D”altra parte, James Watt non credette mai nelle macchine ad alta pressione, che considerava troppo pericolose per l”uso quotidiano; la sua influenza fu tale che questo tipo di macchine si sviluppò realmente solo dopo la sua morte.

Nel 1805, un ingegnere della Cornovaglia, Arthur Woolf, brevettò il motore composto ad alta pressione che utilizzava due cilindri successivi (doppio composto) per ottenere l”espansione completa del vapore: questo principio ha il vantaggio di ridurre l”ampiezza del riscaldamento e del raffreddamento di ciascuno dei cilindri e quindi di risparmiare carburante per guadagnare in prestazioni. Jacob Perkins, un ingegnere americano, dimostrò che era possibile costruire un motore a vapore funzionante a pressioni prossime alle 35 atmosfere. Sadi Carnot apprezzò questo lavoro, ma fece notare che questo motore aveva il difetto di non utilizzare correttamente il principio di espansione di James Watt.

Carnot, come i suoi contemporanei, era molto colpito dalla superiorità industriale dell”Inghilterra rispetto alla Francia, che attribuiva all”ampio uso della macchina a vapore. Dal 1811 al 1840, l”arte di pompare l”acqua dalle miniere della Cornovaglia fu riportata regolarmente nel Monthly Engine Reporter curato da Thomas e John Lean e ripetuta in pubblicazioni come gli Annals of Chemistry and Physics. Questi resoconti stabilirono definitivamente la superiorità delle macchine ad alta pressione. Inoltre, nel 1820 la maggior parte degli ingegneri sembrava convinta che esistesse un limite preciso alla quantità di lavoro che poteva essere svolta con una determinata quantità di calore.

Questi dati, vere e proprie effemeridi, avevano il vantaggio di tradurre l”azione delle varie macchine di pompaggio in modo semplice e direttamente in unità di lavoro (peso dell”acqua e altezza a cui veniva sollevata). Sadi Carnot ne trasse ispirazione per le sue riflessioni sui principi fondamentali delle macchine termiche.

All”inizio del XIX secolo, il motore a vapore era stato migliorato a tal punto che alcuni erano già consapevoli dei limiti del suo miglioramento. Un ingegnere di nome A. R. Bouvier affermò nel 1816 che per ulteriori miglioramenti sarebbero state necessarie la matematica e la fisica e non solo i miglioramenti meccanici.

All”epoca l”ingegnere scozzese Ewart sosteneva che una data quantità di calore poteva idealmente produrre solo una data quantità di lavoro.

Boerhaave aveva notato che il sistema formato da corpi a temperature diverse tendeva a raggiungere un equilibrio termico e che un corpo isolato non si sarebbe mai riscaldato spontaneamente.

Infine, Joseph Fourier aveva sottolineato nel 1817 che il calore radiante deve obbedire a una legge di emissione sinusoidale. La sua dimostrazione che il rifiuto di questa legge avrebbe portato ad ammettere la possibilità del moto perpetuo fu probabilmente il primo utilizzo di questo ragionamento al di fuori della meccanica galileiana. Va notato che Sadi Carnot utilizzò lo stesso ragionamento nella seconda parte delle Réflexions con il teorema della massima efficienza.

Pubblicazione

L”opera, che comprende 118 pagine e cinque figure, fu pubblicata in proprio da A-J-E Guiraudet Saint-Amé (X 1811) con la menzione della casa Bachelier e stampata in 600 copie. Nonostante l”innegabile chiarezza dello stile, la serie di delicati ragionamenti esposti dall”autore è difficile da seguire perché egli ha volutamente rinunciato al linguaggio algebrico nel testo, relegandolo a poche note a piè di pagina. Se l”autore intende introdurre nuovi concetti, utilizza il vocabolario dei fisici contemporanei del suo tempo: legge, forza motrice e non usa i termini cicli, adiabatici o trasformazione reversibile anche se si appella alle nozioni che essi designano. In termini di contenuto, è conveniente distinguere quattro parti nel libro di Sadi Carnot e, sebbene il testo non contenga divisioni, l”autore segue un piano molto assertivo, mascherando le sue transizioni con brevi frasi di collegamento, secondo le pratiche retoriche dell”epoca.

Calore e forza motrice

La prima parte contiene un”esposizione filosofica del campo coperto dalla scienza del calore, visto da un punto di vista completamente nuovo: il calore come agente propulsivo. Nel suo libro, Carnot non si occupa della natura del calore, né si interessa del riscaldamento e del raffreddamento di diversi corpi, né delle condizioni di trasmissione del calore, come fecero Joseph Fourier e i suoi seguaci. Non si occupa nemmeno degli effetti chimici e fisiologici del calore.

Era interessato al calore come causa dei grandi movimenti naturali che si verificano sulla terra, il sistema dei venti, le correnti oceaniche…; a questo proposito, ne esagerava l”importanza. Tuttavia, Sadi Carnot era consapevole, e sembra essere stato il primo a fare questa osservazione, che l”efficienza delle migliori e più potenti macchine a vapore è irrisoria rispetto agli enormi effetti meccanici prodotti dal calore nel mondo naturale.

Sadi Carnot è in grado di assumere una visione filosofica, attingendo sia alla sua conoscenza del funzionamento dei motori a vapore sia alle sue competenze in materia di meteorologia o geofisica. Dai libri di testo dell”epoca, sembra improbabile che qualsiasi altro ingegnere sarebbe stato in grado di farlo, così come un fisico: il primo non sarebbe stato interessato a una generalizzazione così astratta, mentre il secondo non sarebbe stato particolarmente interessato alla forza motrice. Solo Lord Rumford, qualche anno prima, notando un significativo rilascio di calore durante l”alesaggio dei cannoni, concluse che il lavoro poteva essere convertito in calore e che queste due nozioni derivavano dalla stessa essenza.

Questa parte preliminare delle Riflessioni contiene l”idea fondamentale che ovunque vi sia una differenza di temperatura, vi è la possibilità di generare forza motrice, un”idea che svolge un ruolo centrale nella termodinamica. Il suo corollario non è meno importante: è impossibile generare forza motrice se non c”è un corpo freddo e uno caldo. Questa può essere considerata la prima affermazione della seconda legge della termodinamica, nota anche come principio di Carnot, anche se in forma ancora imprecisa.

È probabile che all”epoca Sadi Carnot fosse guidato dall”idea che le macchine idrauliche più efficienti fossero quelle che sfruttavano la maggiore prevalenza d”acqua: vedeva in questo un”analogia, con tutte le sfumature che fanno la differenza con una stretta similitudine, tra questa altezza e la differenza di temperatura per i motori termici. Tuttavia, se uno studio dei dati pubblicati nel Monthly Engine Reporter sulle prestazioni dei motori ad alta pressione non confermava questo ragionamento, la sua intuizione era corretta.

Leggi anche, biografie – Leonardo Bruni

Ciclo ideale di un motore perfetto

La seconda parte definisce un motore perfetto e il suo ciclo di funzionamento ideale. Per farlo, immagina una macchina ideale, comunemente chiamata macchina di Carnot, che può facilmente scambiare calore alternativamente con un corpo caldo e uno freddo (Figura 6). Nel suo studio, il motore termico è rigorosamente ridotto ai suoi elementi essenziali:

Carnot conferma che è la differenza di temperatura tra il corpo caldo e quello freddo, e non la differenza di pressione subita dalla sostanza agente, a determinare il lavoro compiuto dal motore. Sembra che debba questa importante idea ai suoi amici Clément e Desormes.

Il ciclo ideale è soggetto a questa condizione: la sostanza che agisce nel cilindro non deve mai essere in contatto con un corpo più freddo o più caldo di lei, in modo che non ci sia un inutile flusso di calore. È interessante notare che questa condizione corrisponde a quelle che suo padre aveva indicato per determinare la massima efficienza delle macchine idrauliche.

Tutte le variazioni di temperatura devono essere causate dall”espansione o dalla compressione della sostanza di lavoro. Inizialmente compressa ad alta pressione, la sostanza di lavoro si espande liberamente: spinge il pistone ed estrae calore dal corpo caldo con cui il cilindro è in contatto (Figura 1). Il cilindro viene quindi allontanato dal corpo caldo e la sostanza continua a espandersi adiabaticamente, in modo che la sua temperatura diminuisca fino a raggiungere quella del corpo freddo (Figura 2). Questa parte del ciclo corrisponde all”operazione di “espansione” della macchina di James Watt, ma ora è la temperatura del corpo freddo e non la pressione del condensatore a segnare la fine dell”espansione. Il cilindro viene quindi portato a contatto con il corpo freddo e la sostanza di lavoro viene compressa, il calore viene “espulso” da essa (e la compressione continua in modo che la sostanza di lavoro venga riscaldata adiabaticamente (Figura 4). Il risultato netto è solo un trasferimento di calore dal corpo caldo al corpo freddo e la produzione di lavoro esterno; la sostanza di lavoro ritorna al suo stato originale e non viene sprecato calore.

Reversibilità del ciclo di Carnot

Sadi Carnot sottolinea che il ciclo è esattamente reversibile: il motore può essere azionato in senso opposto e il risultato netto sarebbe un consumo di lavoro pari a quello prodotto dal funzionamento in senso diretto e il trasferimento della stessa quantità di calore, ma in questo caso dal corpo freddo al corpo caldo. La reversibilità del ciclo è possibile perché non c”è un flusso di calore non necessario in nessun punto del ciclo. Se ci fosse questo flusso, il motore non sarebbe reversibile. Ora, il motore reversibile è quello che offre la migliore efficienza possibile e Carnot concluse, come conseguenza dell”impossibilità del moto perpetuo, che il vapore è soddisfacente almeno quanto qualsiasi altra sostanza agente. Quando affermò che ciò era teoricamente vero, gli ingegneri dell”epoca lo videro come una conferma astratta di ciò che avevano imparato nella pratica.

Applicazioni alla fisica dei gas

Nella terza parte, Sadi Carnot dimostra che il fatto che tutti i motori termici ideali abbiano la stessa efficienza, indipendentemente dal gas o dal vapore utilizzato, ha implicazioni fondamentali per la fisica dei gas. Carnot dimostra che tutti i gas che si espandono o vengono compressi da una pressione e un volume a un”altra pressione e un altro volume a temperatura costante assorbono o rilasciano la stessa quantità di calore. È inoltre in grado di dedurre relazioni tra i calori specifici dei gas, ossia il calore specifico a pressione costante e il calore specifico a volume costante. In una nota a piè di pagina, trascurata dai primi commentatori, suggerisce che l”efficienza di un motore termico ideale potrebbe essere la base per una scala di temperatura assoluta.

Leggi anche, biografie – François Arago

Intuizione del motore ad aria

Nell”ultima parte del libro, Sadi Carnot osserva che la superiorità dei motori a vapore ad alta pressione è indiscutibile perché sfruttano una maggiore escursione termica rispetto ai motori a bassa pressione. Carnot riconosce che il grande vantaggio dell”acqua come fonte di vapore, il fatto che si espande enormemente in un intervallo di temperatura molto ridotto, ha reso possibile la realizzazione dei primi motori a vapore. Tuttavia, giunge alla notevole conclusione che questo vantaggio renderebbe l”acqua meno adatta al motore termico del futuro. Infatti, l”enorme aumento di pressione per piccolissimi aumenti di temperatura al di sopra dei 100 °C rende quasi impossibile il funzionamento nell”intera gamma di temperature, da quella della combustione del carbone a quella della condensazione dell”acqua fredda.

Di conseguenza, Sadi Carnot predisse che, una volta risolti i vari problemi tecnici relativi alla lubrificazione e alla combustione, il motore più efficiente sarebbe stato probabilmente quello ad aria.

Accettazione del lavoro

L”opera fu ben accolta, anche dall”Académie des Sciences, alla quale Pierre-Simon Girard, direttore di una rivista scientifica, presentò il lavoro di Carnot nella seduta del 14 giugno 1824, integrato da un resoconto analitico, in forma orale, ai suoi colleghi il 26 luglio. È chiaro che una presentazione all”Accademia sotto forma di memoria avrebbe senza dubbio attirato l”attenzione sul lavoro di Sadi Carnot nella comunità scientifica, con la pubblicazione nel Recueil des Savants étrangers come seguito naturale. Così, né la “grande scienza francese” rappresentata dall”Institut de France, né la famosa École Polytechnique reagirono realmente alla pubblicazione dell”opera di Carnot, perché non ne compresero appieno il significato. Da parte sua, Carnot, che apparentemente non aveva il senso della pubblicità, omise di inviare una copia alle biblioteche dell”École des mines e dell”École des ponts et chaussées, privandosi così di un pubblico privilegiato, così come non inviò una recensione agli Annales de chimie et de physique o agli Annales des mines. Inoltre, va notato che, nonostante la tiratura limitata, alcune copie invendute sono state trovate intonse.

Dal punto di vista ingegneristico, solo l”accademico Pierre-Simon Girard fece una recensione entusiastica. Quando apparvero le Réflexions, gli ingegneri avevano già imparato dall”esperienza che il vapore era soddisfacente almeno quanto qualsiasi altra sostanza attiva. Quando Carnot affermò che ciò era teoricamente vero, fu visto come una semplice conferma astratta.

Inoltre, le sue spiegazioni sulla superiore efficienza dei motori a vapore ad alta pressione si basavano sui dati pubblicati nel Monthly Engine Reporter e sulle prestazioni dei motori Woolf, funzionanti con espansione ad alta pressione, costruiti in Francia da Humphrey Edwards. Tuttavia, queste prestazioni erano probabilmente più legate a una somma di miglioramenti di dettaglio che a un reale vantaggio termodinamico. Sadi Carnot non aveva quindi ragione di invocare la superiorità dei motori a vapore ad alta pressione a sostegno delle sue teorie fondamentali.

Ad eccezione di Nicolas Clément-Desormes che, come dimostra una conferenza tenuta il 25 gennaio 1825, raccomandava ai suoi ascoltatori di leggere il libro, i fisici e gli altri scienziati erano indubbiamente confusi dal ragionamento fondamentale basato sui principi della macchina a vapore.

Solo nel 1834 Émile Clapeyron pubblicò sulla rivista dell”École Polytechnique un articolo che mostrava come le idee di Sadi Carnot potessero essere espresse matematicamente, sottolineandone al contempo il valore esplicativo, e fu solo con la ripubblicazione delle Réflexions da parte dello stesso autore, integrate dai suoi commenti, che Sadi Carnot iniziò gradualmente a influenzare la comunità scientifica.

Fu grazie a questo che William Thomson venne a conoscenza del lavoro di Carnot nel 1851. In una lunga serie di articoli, Thomson e Rudolf Clausius, a partire dal 1850, stabilirono il principio di conservazione dell”energia (e non più del calore) come base fondamentale della termodinamica. Per riconoscere il contributo di Rudolf Clausius, al principio di Carnot fu dato il nome di principio di Carnot-Clausius. Questo principio permette di determinare l”efficienza massima di una macchina termica in funzione delle temperature delle sue sorgenti calde e fredde, un”efficienza che varia tra l”8% e il 30% a seconda della progettazione delle macchine.

Resta da chiedersi perché Sadi Carnot non pubblicò nulla negli otto anni che intercorsero tra la pubblicazione delle Réflexions e la sua morte. Sebbene si possano avanzare diverse spiegazioni, la ragione più probabile è che egli non avesse più fiducia nelle sue teorie e si trovasse nell”impossibilità di fondare una nuova teoria del calore. Con il calorico, Sadi Carnot si trovò di fronte a uno degli ostacoli epistemologici più difficili da superare, caro a Gaston Bachelard: il sostanzialismo, cioè la spiegazione monotona delle proprietà fisiche attraverso la sostanza.

Tra i suoi scritti postumi, si è conservato un manoscritto intitolato Recherche d”une formule propre à représenter la puissance motrice de la vapeur d”eau, scritto tra il novembre 1819 e il marzo 1827 ma probabilmente dopo le Riflessioni. In esso abbozzò la prima legge della termodinamica, cercando di chiarire il legame tra lavoro e calore. Questa nota fu infine pubblicata nel 1878, cioè troppo tardi per influenzare lo sviluppo della scienza, da Hippolyte Carnot, in un volume pubblicato in omaggio al fratello, in cui inserì una “Nota biografica su Sadi Carnot”. Fu senza dubbio nella primavera del 1832 che Sadi scoprì il principio di equivalenza e che riprese, in brevi note, le conclusioni di una lunga memoria, che fu infine distrutta da Hippolyte. Questi appunti, pubblicati anch”essi nel 1878, indicano che egli aveva ormai abbandonato la teoria del calorico che permeava ancora il suo saggio del 1824 e sulla quale aveva già espresso dubbi nelle Riflessioni. Sembra che avesse ammesso che il calore non è altro che forza motrice (oggi diremmo energia), proponendo un valore numerico per l”equivalente meccanico del calore entro il 2%, con dieci anni di anticipo su Julius Robert von Mayer, e apparentemente ottenuto con maggior rigore scientifico.

Per convalidare i suoi progressi, aveva abbozzato esperimenti dettagliati, che oggi chiameremmo a entalpia costante, simili a quelli di Benjamin Thompson. Ma a differenza di Thompson, egli intendeva misurare il lavoro svolto e il calore prodotto, variando i materiali utilizzati. In questo senso, aveva grandi speranze di trovare un equivalente meccanico costante del calore che avesse lo stesso valore per tutti gli esperimenti. Inoltre, per calcolare l”equivalente meccanico del calore, prevedeva di effettuare misurazioni con gas e liquidi.

È difficile sapere se avrebbe potuto realizzare questi esperimenti in modo soddisfacente. La storia della termodinamica doveva ancora correre prima di arrivare alla teoria, quindi le difficoltà che avrebbe dovuto superare non possono essere sottovalutate.

Sarebbe stato inoltre necessario convincere, in particolare, il grande corpo dei chimici e tutti coloro che facevano ricerca sull”elettricità: tutti erano profondamente legati alla teoria del calorico. Infine, fu solo con James Prescott Joule che la teoria dinamica del calore fu definitivamente formulata. Sette anni separarono la sua prima pubblicazione (1843) da quella di Rudolf Clausius, che allineò la teoria dinamica del calore (Joule) alle teorie di Sadi Carnot.

Alla fine, è sfortunato ma purtroppo probabile che Sadi Carnot sia morto credendo di aver fallito, mentre in realtà ha semplicemente fondato una vasta e fondamentale branca della scienza con strutture complesse, la termodinamica, che collega fisica, chimica, biologia e persino cosmologia.

L”influenza dell”opera di Lazare Carnot su quella del figlio

Per lo storico della scienza si pongono diversi interrogativi sulla relazione tra le opere dei due ingegneri:

Lavoro di sintesi

Per D.S.L. Cardwell, il libro di Sadi Carnot, sebbene sia molto meno conosciuto del De revolutionibus orbium coelestium di Copernico, ha un”importanza paragonabile nella storia della scienza moderna perché ha posto le basi di una disciplina completamente nuova: la termodinamica.

Tuttavia, il lavoro di Carnot ha una dimensione originale. Copernico lavorava in una disciplina ben definita e riconosciuta; poteva contare su un patrimonio di riflessioni e osservazioni accumulato in due millenni (le effemeridi). Sadi Carnot, invece, ha dovuto sintetizzare diverse discipline scientifiche e tecniche. Per farlo, dovette selezionare i dati da studiare, costruire teorie a partire da concetti, leggi e principi tratti dalle scienze del calore e della meccanica, ancora separate, da tecnologie in pieno sviluppo come il vapore o già affermate come l”idraulica, ma anch”esse ancora slegate tra loro. Inoltre, solo lui intuì la necessità di questa nuova scienza nel 1824, sia per le sue applicazioni pratiche che per ragioni più fondamentali.

Rivoluzione di Carnevale

Da un punto di vista più generale, l”opera di Sadi Carnot ha segnato l”inizio di quella che Jacques Grinevald chiama la Rivoluzione di Carnot, che ha portato alla transizione verso una società termo-industriale con l”uso massiccio di energia fossile (carbone e poi petrolio). Da quel momento in poi, la potenza del fuoco ha permesso l”avvento di una nuova macchina, costruita attorno a un motore, che ha costituito una biforcazione nella storia dell”utensile. Permette di eliminare la forza motrice dell”uomo, dell”animale, degli elementi naturali abituali come il vento e l”acqua, per dare un senso alla vecchia rappresentazione collettiva delle creature animate, da Efesto al fantasma elettrico di Hadaly. Allo stesso tempo, questa forza motrice del fuoco distenderà il legame secolare tra la tecnologia e l”ambiente geografico immediato, con lo sviluppo senza precedenti di reti e flussi e la concentrazione geografica delle apparecchiature che diventa possibile grazie alla delocalizzazione di questa forza.

Valutazione e conseguenze

Sadi Carnot scoprì le due leggi su cui si basa l”intera scienza dell”energia, nonostante gli ostacoli che sembravano insormontabili. Egli diede una misura dell”eccezionale potenza della sua intuizione enunciando le sue leggi quando i fatti erano in numero insufficiente, la loro precisione approssimativa e soprattutto quando il progresso della scienza nascente era frenato dall”errata teoria del calorico indistruttibile.

Decise intuitivamente che la macchina a vapore assomigliava al vecchio mulino ad acqua, che produceva energia facendo scendere l”acqua da un livello alto a un livello basso, e che produceva energia facendo scendere il calore dall”alta temperatura della caldaia alla bassa temperatura del condensatore. Riteneva che questa differenza di temperatura fosse un fenomeno chiaro, ma che la caduta di calore in sé fosse molto meno chiara, e nella sua legge fu attento a far sì che la caduta di temperatura giocasse il ruolo essenziale. Oggi diremmo che aveva intuito che c”era una differenza tra l”energia che forma calore e il calore che cade come acqua dal mulino. Sappiamo che ci sono voluti 40 anni dopo il suo libro per definire l”entropia dalla quantità di calore come l”equivalente dell”acqua del mulino e ammiriamo il fatto che abbia evitato questo problema spinoso e abbia infine respinto per primo la teoria del calorico.

Con la sua portata universale, la sua opera è probabilmente unica nella storia della scienza moderna e, in questo senso, Nicolas Léonard Sadi Carnot è stato certamente uno dei pensatori più penetranti e originali che la nostra civiltà abbia prodotto.

Per alcuni rimarrà “una meteora nella storia della scienza”, una figura singolare per la quale “con un foglio di carta, una penna e una mente, aver creato le basi di una nuova scienza, è uno spirito abbastanza ammirevole”. “La morte di grandi uomini lascia tanti rimpianti quante nuove speranze.

Nel 1970, l”Unione Astronomica Internazionale chiamò il cratere lunare Carnot in onore del fisico francese e successivamente l”asteroide (12289) Carnot.

Il metodo di Carnot, una procedura di allocazione dell”exergia per valutare i prodotti di cogenerazione e calcolare il valore fisico del calore prodotto, prende il nome da lui.

Nel 2006, in Francia, è stato creato il marchio Carnot per sviluppare l”interfaccia tra la ricerca pubblica e gli attori socio-economici in risposta alle loro esigenze: questa dedica rende omaggio a ciò che Sadi Carnot ha portato alla fisica fondamentale, esplorando una questione molto applicata.

Collegamenti esterni

Fonti

Sadi Carnot (physicien)
Nicolas Léonard Sadi Carnot
Sadi est le seul prénom mentionné pour l’état civil, Nicolas et Léonard étant des prénoms de baptême.
Bachelard 1993.
a b c et d Ouvrir la « page d’accueil de la bibliothèque centrale de l”École polytechnique », sur polytechnique.edu, Palaiseau (consulté le 21 janvier 2022). Sélectionner l’onglet « Catalogues », puis cliquer sur la ligne « La famille polytechnicienne : les registres matricules antérieurs à 75 ans à compter de la date de clôture du registre (classement de sortie)… » ; effectuer une recherche sur « Sadi Carnot », choisir la ligne « Carnot, Nicolas Léonard Sadi (X 1812 ; 1796-1832) » ; sélectionner le format « Fiche matricule » ; cette notice complète fournit notamment les informations suivantes : « État civil : naissance le 1er juin 1796 au palais du Luxembourg à Paris ; père : Lazare Nicolas Marguerite, membre de l”Institut ; mère : Dupont, Marie Jacqueline Sophie Josephe ; Scolarité : rang d’entrée à l’École polytechnique : 24e ; rang à la fin de la 1re année en 1813 : 20e ; rang de sortie en 1814 : 10e ; rang [d”admission] dans le corps du génie : 5e en 1814 ; prend part à la défense de Paris en 1814 ; mort le 24 août 1832 à Ivry-sur-Seine ; franc-maçon ».
^ (US) M. Hippolyte Carnot, Life of Sadi Carnot , Second revised edition, John Wiley & Sons, 1897
^ (FR) Autori vari, Sadi Carnot et l”essor de la thermodynamique, CNRS Éditions 1 Septembre 1998 ISBN 2-222-01818-8
^ È possibile arrivare a questo risultato partendo dalla legge di Gay-Lussac (Charles): V i : T i = V : T {displaystyle V_{i}:T_{i}=V:T} ponendo come suggerisce il trattato stesso T i = 273 {displaystyle T_{i}=273} K (0 °C) e T = 274 {displaystyle T=274} K (1 °C), sviluppando i calcoli si avrà che Δ V = 1 273 {displaystyle Delta V={1 over 273}} pari a 0,003663. Tuttavia negli anni in cui Carnot compose l”opera, l”equivalenza assunta era 0 °C = 267 K sviluppando i calcoli con questi nuovi dati si ottiene Δ V = 1 267 {displaystyle Delta V={1 over 267}} a cui si deve sommare la precedente compressione di 1 116 {displaystyle {1 over 116}} .
^ Con l”equazione di Poisson per le trasformazioni adiabatiche, ricavate partendo dalla teoria del suono, si ha che: T 1 V 1 γ − 1 = T 2 V 2 γ − 1 {displaystyle T_{1}V_{1}^{gamma -1}=T_{2}V_{2}^{gamma -1}} dove γ = 7 5 {displaystyle gamma ={7 over 5}} per un gas biatomico come l”aria. Sostituendo a T 1 = 0 {displaystyle T_{1}=0} °C = 267 {displaystyle =267} K ed a T 2 = T 1 + 1 {displaystyle T_{2}=T_{1}+1} = 268 {displaystyle =268} K si ricava che: V 2 = ( 267 268 ) 5 2 ⋅ V 1 ⟶ ( 267 268 ) 5 2 = 0 , 99609 {displaystyle V_{2}=({267 over 268})^{5 over 2}cdot V_{1}longrightarrow ({267 over 268})^{5 over 2}=0,99609} Si trova dunque che il rapporto fra il volume finale e quello iniziale, affinché il gas aumenti di temperatura di 1 K, è 0,99609. Carnot aveva ottenuto il valore 115 116 = 0 , 99137 {displaystyle {115 over 116}=0,99137} (al tempo di Carnot si considerava 0 °C = 267 K anziché 273 K)
^ In realtà oggi sappiamo che quest”affermazione è scorretta poiché si è dimostrato che il calore specifico dipende unicamente dai gradi di libertà del gas liberato.
^ Bachelard, Gaston. The Formation of the Scientific Mind.
^ “Sadi Carnot – Biography”. Maths History. Retrieved 2022-06-02.
^ a b Sadi Carnot et l’essor de la thermodynamique, CNRS Éditions
2,0 2,1 MacTutor History of Mathematics archive. Ανακτήθηκε στις 22 Αυγούστου 2017.
Sadi Carnot et l”esor de la thermodynamique, CNRS Éditions
Thomass, T (2003). «Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832)» (PDF). Université de Technologie de Compiègne. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο (PDF) στις 15 Φεβρουαρίου 2017. Ανακτήθηκε στις 26 Ιανουαρίου 2019.
Chisholm 1911.
Carnot 1890