Sadi Carnot

Alex Rover | januari 13, 2023

Post Views: 11

Samenvatting

Nicolas Léonard Sadi Carnot was een Franse natuurkundige en ingenieur, geboren op 1 juni 1796 in Parijs en overleden op 24 augustus 1832 in Ivry-sur-Seine of Parijs.

Tijdens zijn korte carrière (hij stierf op 36-jarige leeftijd aan cholera) publiceerde Sadi Carnot slechts één boek (net als Copernicus): Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance, in 1824, waarin hij op 27-jarige leeftijd uitdrukking gaf aan wat zijn levenswerk en een belangrijk boek in de geschiedenis van de natuurkunde bleek te zijn.

In dit werk legde hij de basis van een geheel nieuwe discipline, de thermodynamica. De term bestond toen nog niet; het was William Thomson die hem halverwege de 19e eeuw uitvond. Het was echter Sadi Carnot die, ondanks de onnauwkeurigheid van sommige van zijn concepten (zijn aanvaarding van de warmteleer en het axioma van behoud van warmte), deze wetenschap ontdekte die theoretisch even fundamenteel als vruchtbaar was wat betreft de praktische toepassingen.

Sadi Carnot formuleerde de beredeneerde uiteenzetting van de warmtemotor en de basisprincipes volgens welke tegenwoordig elke elektriciteitscentrale, explosie- of straalmotor wordt ontworpen. Opmerkelijker is dat deze ontstaansgeschiedenis plaatsvond toen nog geen voorganger de aard en reikwijdte van het onderwerp had gedefinieerd. Sadi Carnot ging uit van zuiver technische overwegingen, zoals het verbeteren van de prestaties van de stoommachine, maar zijn intellectuele weg is origineel en luidt belangrijke ontwikkelingen in die plaatsvonden in deze voor de moderne wetenschap cruciale periode.

Als oudste zoon van Lazare Carnot (1753-1823), bekend als “de grote Carnot” of “de organisator van de overwinning”, werd Sadi Carnot geboren in Parijs, in het paleis Petit-Luxembourg, waar zijn vader, een van de vijf uitvoerende directeuren van de Republiek, zijn ambtswoning had. Zijn voornaam komt van de naam van de Perzische dichter Saadi van Shiraz, die door zijn vader zeer werd bewonderd.

Ten tijde van Sadi”s geboorte was Lazare Carnot op het hoogtepunt van zijn carrière. Lazare Carnot, wiskundige en ingenieur, leerling van Gaspard Monge en auteur van een essay over machines in het algemeen (1783), was ook soldaat, leider en revolutionair. Hij werd verkozen in de Constituerende Vergadering van 1789 en vervolgens in de Conventie, en stemde voor de dood van koning Lodewijk XVI. Tijdens de oorlogen van de Franse Revolutie kreeg hij binnen het Comité van Openbare Veiligheid de bijnaam “organisator van de overwinning”. Na lid te zijn geweest van het Directorium, was hij in 1800 zes maanden lang minister van Oorlog van Napoleon Bonaparte en vervolgens minister van Binnenlandse Zaken tijdens de Honderd Dagen in 1815. In oktober van hetzelfde jaar, na de nederlaag van Napoleon, werd hij verbannen als regicide. Hij woonde in België, daarna in Polen en Duitsland, waar hij stierf, zonder ooit naar Frankrijk terug te keren.

Zijn moeder, Sophie Dupont (1764-1813), kwam uit een rijke familie in Saint-Omer.

Sadi Carnot had een jongere broer, Hippolyte Carnot (1801-1888), die een politieke carrière had: afgevaardigde van 1839 tot 1848, minister van Onderwijs in 1848, hij weigerde het Tweede Keizerrijk te steunen en werd opnieuw afgevaardigde onder de Derde Republiek, werd vervolgens in 1875 gekozen in de Senaat en lid van de Académie des sciences morales et politiques in 1887. Sadi Carnot was de oom van Marie François Sadi Carnot (ook bekend als Sadi Carnot), in 1887 gekozen tot president van de Franse Republiek en in 1894 vermoord door de anarchist Sante Geronimo Caserio.

Hij is nooit getrouwd en had geen nakomelingen.

Eerste jaren

Na de staatsgreep van 4 september 1797 moest Lazare Carnot Frankrijk verlaten, een situatie die duurde tot januari 1800, toen hij gratie kreeg van Bonaparte; tijdens deze periode woonde Sadi Carnot bij zijn moeder in het ouderlijk huis in Saint-Omer. In augustus 1807 besluit Lazare Carnot, die door de afschaffing van het Tribunaat in zijn privéleven is teruggekeerd, de opvoeding van zijn twee zonen ter hand te nemen en hen wiskunde, wetenschappen, talen en muziek te leren.

In 1811 ging Sadi Carnot naar het Lycée Charlemagne, in de voorbereidende klas van Pierre-Louis Marie Bourdon, om zich voor te bereiden op het vergelijkend examen voor de École Polytechnique. Omdat hij op 1 juni 1812 de minimumleeftijd van 16 jaar had bereikt, kon Sadi Carnot in augustus daaropvolgend deelnemen aan het vergelijkend examen, waar hij als 24e van de 179 werd aangenomen en op 2 november in de tweede afdeling werd opgenomen.

Polytechnicus

In 1812-1813 functioneerden de cursussen normaal, ondanks de tegenslagen van de keizerlijke legers. Zijn leraren waren Reynaud voor analyse, Poisson voor mechanica, Hachette voor beschrijvende meetkunde, Louis Jacques Thénard voor algemene en toegepaste scheikunde, Jean-Henri Hassenfratz voor natuurkunde en François Arago voor infinitesimale calculus en machinetheorie. Tijdens dit eerste jaar kreeg hij ook les van mannen als Alexis Petit voor natuurkunde en Pierre Louis Dulong voor scheikunde, wiens werk hij later gebruikte. Het schijnt dat men zelfs overwoog hem in oktober 1813 onmiddellijk over te plaatsen naar de artillerieafdeling van de school van Metz, maar dat men hem uiteindelijk te jong vond.

Het tweede jaar was minder vruchtbaar op het gebied van onderwijs. Eind januari 1814 werd de voortgang van het onderwijs geleidelijk onderbroken door de integratie van de studenten in drie compagnieën van het artilleriekorps van de Nationale Garde. Op 29 en 30 maart 1814 vocht Sadi Carnot, een van de zes korporaals van de compagnie, met het polytechnische bataljon en kwam onder vuur te liggen tijdens een onschuldige schermutseling bij de verdediging van het fort van Vincennes tegen de geallieerden; dit was waarschijnlijk zijn enige gevechtservaring. De lessen werden hervat op 18 april, maar Sadi keerde pas op 12 mei terug. Op 12 oktober 1814 werd hij verkiesbaar verklaard voor de openbare diensten, 10e op de algemene lijst van de 65 studenten die in zijn klas waren overgebleven. Hij werd als 5e geplaatst op de speciale lijst van tien studenten die als tweede luitenant werden toegelaten tot de militaire ingenieursopleiding aan de École d”application de l”artillerie et du génie in Metz. Dit betekende het einde van een belangrijke periode in zijn opleiding, waarnaar hij verwees toen hij zijn Réflexions publiceerde door zijn werk te ondertekenen met “Sadi Carnot, oud-leerling van de Ecole Polytechnique”.

Lees ook: biografieen – George Segal (acteur)

Metz School

Sadi Carnot ontving op 1 oktober 1814 zijn brevet als ingenieurscadet en trad in de laatste dagen van 1814 na een ontspanningsperiode toe tot de École de Metz. In deze prestigieuze toepassingsschool, erfgenaam van de Koninklijke Ingenieursschool van Mézières, volgde hij de cursussen toegepaste wiskunde en natuurkunde van François-Marie Dubuat en Jacques Frédéric Français, die van scheikunde toegepast op de militaire kunsten en pyrotechniek van Chevreuse. Zijn brevet als tweede luitenant bij het 2e regiment sappeurs, dat zijn afstuderen van de school en zijn daadwerkelijke intrede in de militaire loopbaan markeert, is gedateerd op 2 april 1817. Volgens de overlevering kreeg hij onmiddellijk drie maanden verlof, dat hij verlengde tot 15 oktober 1817. Het grootste deel daarvan bracht hij waarschijnlijk door in het ouderlijk huis in Nolay bij zijn oom, luitenant-generaal Carnot de Feulins.

Eerste opdrachten

Met de komst van de vrede in 1815 werd hij gedwongen tot het routineuze bestaan van het garnizoen, met weinig vooruitzichten. Als zoon van een verbannen republikeinse leider werd hij als onveilig beschouwd, dus werd geregeld dat zijn standplaats ver van Parijs lag.

Sadi Carnot werd regelmatig overgeplaatst, inspecteerde vestingwerken, maakte plannen en schreef talrijke rapporten. Maar zijn aanbevelingen werden blijkbaar genegeerd; zijn carrière stagneerde.

Bij besluit van 6 mei 1818 werden een koninklijk stafkorps en een opleidingsschool voor de generale staf van het leger opgericht. Op 15 september 1818 kreeg Sadi Carnot zes maanden verlof om zich voor te bereiden op het toelatingsexamen in Parijs.

Lees ook: biografieen – Hendrik III van Frankrijk

Installatie in Parijs

Bij besluit van 20 januari 1819 werd hij opgenomen in de Parijse generale staf met de rang van luitenant en met verlof gestuurd, waarbij hij tweederde van zijn brutoloon ontving als wetenschappelijk medewerker. Sadi Carnot woonde naast zijn oom Joseph in een kleine flat in de wijk Marais, die hij tot medio 1831 bewoonde, en volgde lessen aan de Sorbonne en het Collège de France, maar niet aan de École des Mines, waarvoor hij toestemming nodig had van de hogere overheid, die hij nooit heeft aangevraagd, en waar hij de jonge Emile Clapeyron had kunnen ontmoeten. Hij studeerde aan het Conservatoire National des Arts et Métiers waar Clément-Desormes een cursus scheikunde toegepast op de kunsten gaf en Jean-Baptiste Say een cursus industriële economie. Hij bezocht ook de Jardin des plantes en de bibliotheek van de koning, maar ook het Louvre museum en het Italiaanse theater in Parijs. Sadi Carnot is geïnteresseerd in industriële problemen, bezoekt werkplaatsen en fabrieken, bestudeert de theorie van gassen en de nieuwste theorieën van de politieke economie. Hij liet gedetailleerde voorstellen na over actuele problemen zoals belastingen, maar wiskunde en kunsten fascineerden hem.

De leden van zijn kring waren radicaal en republikeins, en zijn beste vrienden waren Nicholas Clément en Charles Desormes, wetenschappers en industriële chemici, redacteurs van een “Mémoire sur la théorie des machines à feu” en de enige fysici met wie hij daadwerkelijk contact had voordat hij de Réflexions schreef.

In de zomer van 1820 zag Sadi zijn broer Hippolyte weer, die een paar dagen in Frankrijk was geweest en bij zijn vader woonde. Op 23 juni 1821 verleende het Ministerie van Oorlog hem onbetaald verlof om zijn vader in ballingschap in Maagdenburg te kunnen bezoeken. Daar kregen hij en zijn vader belangstelling voor stoommachines, omdat drie jaar eerder in Maagdenburg de eerste was gebouwd. Bij zijn terugkeer in Parijs begon hij na te denken over wat bekend werd als thermodynamica. Zijn eerste belangrijke werken dateren van 1822-1823. Toen zijn vader in augustus 1823 overleed, keerde zijn broer Hippolyte terug naar Parijs en hielp hem met zijn geschriften “om ervoor te zorgen dat ze zouden worden begrepen door mensen die andere studies volgden”. Sinds zijn vrijlating had Sadi zich verre gehouden van de politieke stromingen die liberale jongeren aantrokken, noch leek hij zich aangetrokken te voelen tot georganiseerde wetenschappelijke groepen zoals de Société philomathique de Paris, waarvan de leden ambities hadden om lid te worden van de Académie des Sciences. Wel nam hij deel aan een bijeenkomst van Polytechnici en industriëlen, waar hij een presentatie schijnt te hebben gegeven over een formule om de aandrijfkracht van stoom weer te geven.

Einde beschikbaarheid

In oktober 1824 werd de stafluitenant wakker als Sadi, die topografische werkzaamheden uitvoerde op de weg van Coulommiers naar Couilly-Pont-aux-Dames. In 1825 verrichtte hij soortgelijke werkzaamheden aan de weg van Villeparisis naar de veerboot in Gournay-sur-Marne. Op 10 december 1826 werd de verordening tot organisatie van het koninklijk stafkorps ondertekend en op 31 december werd Sadi gedetacheerd bij het 7e regiment infanterie dat in Thionville was gelegerd. “Verwikkeld in zaken van belang die ik niet plotseling kon opgeven zonder zeer aanzienlijke verliezen voor mij”, verkreeg Sadi een verlof van drie maanden met half loon. Op 6 maart 1827 herhaalde hij zijn verzoek, waarbij hij wees op zijn gebrek aan geschiktheid voor dienst bij de infanterie en hij kreeg zijn herplaatsing bij de genie vanaf 25 maart 1827 en zijn voortzetting van zijn verlof, ditmaal zonder bezoldiging, tot 15 september 1827. Na een reorganisatie van de staf werd hij naar Auxonne gestuurd, een voormalig bolwerk in de Côte d”Or. Op 27 september 1827 werd hij bevorderd tot tweede kapitein bij de genie.

Ontslag

Op 21 april 1828 bood Sadi zijn ontslag aan uit het leger “voor het beheer van mijn persoonlijke zaken en met name voor de zorg die moet worden besteed aan een rechtszaak waarin ik belang heb, zie ik het einde nog lang niet in, aangezien mijn positie mij niet in staat stelt mijn taken vandaag de dag uit te voeren zonder afbreuk te doen aan wat ik bezit”. Op 19 mei 1828 aanvaardde het Ministerie van Oorlog zijn ontslag: sinds hij de school van Metz had verlaten, had Sadi Carnot nauwelijks vijftien maanden actieve militaire dienst volbracht, waaronder topografische onderzoeken. Wat betreft het proces waarbij hij betrokken schijnt te zijn geweest, is het moeilijk meer te weten, ook al vermeldt zijn adresboek de naam van Giraudeau, die een advocatenkantoor had in de rue Sainte-Anne. Hoewel hij niet de status van demi-solde had bereikt, kon Sadi nu terugkeren naar Parijs en zich wijden aan een leven van studie en persoonlijk onderzoek.

Sadi”s peetvader, zijn grootvader van moederskant Dupont, had hem bij zijn dood in 1807 bijna een miljoen gouden franken nagelaten, waarvan Lazare Carnot een derde had ontvangen. Sadi”s deel van de erfenis stelde hem in staat het rustige leven van een bescheiden lijfrentmeester te leiden, maar dit leven zonder passie en dynamiek was ongetwijfeld noodzakelijk geworden door zijn zwakke gezondheid. Toen de bibliothecaris Ambroise Fourcy hem naar zijn beroep vroeg voor zijn Histoire de l”École polytechnique, verklaarde Sadi Carnot dat hij “bouwer van stoommachines” was. Zijn naam komt echter in geen enkele lijst van fabrikanten voor, zoals die welke jaarlijks in de Almanach Bottin wordt gepubliceerd. Was hij van plan dit beroep te gaan uitoefenen, speelde hij de rol van raadgevend ingenieur, leende hij geld aan een fabrikant, of was dit gewoon een grap? Ook moet worden opgemerkt dat Sadi Carnot nooit octrooien heeft aangevraagd en dat hij geen leerstoel of examenpost heeft bekleed aan de in 1829 opgerichte École centrale des arts et manufactures, die verantwoordelijk was voor de opleiding van ingenieurs voor de particuliere industrie. Op 17 augustus 1830 werd de Polytechnische Vereniging opgericht, waarin oud-leerlingen van de school waren verenigd en waartoe Sadi Carnot zich onmiddellijk aansloot.

De verordening van 10 februari 1831 voorzag in de oprichting van een compagnie schutters in elk arrondissement en “na enige kleine pesterijen, die soms zeer onbeduidend waren” werd Sadi toegelaten tot de 8e artilleriecompagnie met de rang van onderofficier of hoogstens korporaal.

In augustus 1831 zette de publicatie van twee memoires van Pierre Louis Dulong hem ertoe aan zijn werk over de fysische eigenschappen van gassen te hervatten. Datzelfde jaar kreeg hij een aanval van roodvonk en werd hij ernstig ziek, met een tijdlang aanvallen van delirium. In april 1832 berichtte de Revue Encyclopédique over het werk van Baron Blein in een artikel met de handtekening S.C., waarschijnlijk Sadi Carnot. Het portret dat de kunstenaar Despoix in die tijd van Sadi tekende, toont het gezicht van een vermoeide man, met een bezorgde blik, wiens geestelijk evenwicht niet langer verzekerd lijkt.

Zijn gezondheidstoestand verhinderde hem de vergadering van de Polytechnische Vereniging op 20 juni 1832 bij te wonen en Hippolyte merkt in zijn bibliografische nota op dat “de buitensporige inspanning waaraan hij zich overgaf, hem eind juni 1832 ziek maakte”. Op 3 augustus werd hij opgenomen in het verpleeghuis van de alienistische arts Jean-Étienne Esquirol, gelegen aan de rue de Seine 7 (tegenwoordig rue Lénine), waar deze de diagnose manie stelde, d.w.z. een gegeneraliseerd delirium met opwinding. Kort daarna vermeldt het register van het verpleeghuis van Ivry “genezen van zijn manie, overleden op 24 augustus 1832 aan cholera”. Het overlijden werd dezelfde dag op het stadhuis van Ivry aangegeven door de econoom van het verpleeghuis, blijkbaar op een manier om elke verwijzing ernaar te vermijden, alsof hij instructies had gekregen van Hippolyte. Hippolyte moest het overlijden ook aangeven op het gemeentehuis van het 12e arrondissement. De burgerlijke begrafenis werd in bijna anonimiteit gevierd. Hij werd begraven op de oude begraafplaats van Ivry-sur-Seine. Na zijn dood werden zijn persoonlijke bezittingen (waaronder zijn archief) verbrand om verspreiding van de ziekte te voorkomen.

Lees ook: biografieen – Samuel Taylor Coleridge

Technisch-wetenschappelijke context

Om het boek van Sadi Carnot te begrijpen en de originaliteit van het werk te waarderen, moet de situatie van wetenschap en technologie op het betrokken gebied in het tweede decennium van de 19e eeuw worden gespecificeerd.

Toen de jonge Sadi Carnot naar de École Polytechnique ging, was de enige gevestigde wetenschap, gebaseerd op wiskunde, de mechanica. Chemie, elektriciteit, magnetisme en warmte boekten snelle vooruitgang, maar hadden het stadium van wiskundige abstractie nog niet bereikt.

De wetenschap van de warmte was mogelijk geworden door de uitvinding van de thermometer in de 17e eeuw (met name de thermometer van Santorio), maar bleef een bezigheid van chemici en artsen. Zij hadden het axioma van behoud van warmte naar voren gebracht, dat zij toen opvatten als een substantie: “calorisch”.

Dankzij het werk van Benjamin Thompson (Lord Rumford), Pierre-Simon de Laplace, Jean-Baptiste Biot, Siméon Denis Poisson en Joseph Fourier kregen wis- en natuurkundigen belangstelling voor warmte, met name voor de studie van warmteoverdracht.

Tegelijkertijd kregen meteorologen meer inzicht in de rol van warmte in het wind- of oceaanstromingssysteem, dat werd gezien als de grote drijvende kracht van de wereld. In het bijzonder werd adiabatische verwarming en afkoeling van de lucht ingeroepen om veldwaarnemingen te verklaren, zoals de stabiliteit van sneeuwvelden bij de evenaar.

De eerste stoommachines van praktische toepassing verschenen in het begin van de 18e eeuw en werkten als volgt: stoom werd gebruikt om lucht uit een cilinder te persen, die vervolgens werd afgekoeld zodat de stoom condenseerde en de externe atmosferische druk de zuiger deed terugvallen. De stoom kon dan de cilinder weer vullen en de cyclus werd herhaald (zie de machine van Thomas Newcomen). Deze machines werkten traag en onregelmatig, maar waren zeer geschikt om water uit mijnen te pompen. In dit verband was water de meest geschikte werkstof, vooral omdat het uitzet tot ongeveer 1800 maal zijn oorspronkelijke volume wanneer het in stoom wordt omgezet.

In de jaren 1760 condenseerde James Watt de stoom in een aparte koude cilinder, of condensor, terwijl de hoofdcilinder steeds heet werd gehouden, om een einde te maken aan de verspillende opwarming en afkoeling van de cilinder. Bovendien gebruikte hij hete stoom om de zuiger in de cilinder te laten zakken, waardoor het warmteverlies verder werd beperkt. Watt merkte dat een aanzienlijke besparing mogelijk was als de stoomtoevoer werd afgesloten voordat de zuiger zich in de cilinder bewoog: de ingesloten stoom zou de zuiger met licht dalende druk naar beneden blijven bewegen. Wanneer de stoom in de condensor kwam, had hij nog wat “elasticiteit” (druk) over: dit werd expansie genoemd. Anderzijds geloofde James Watt nooit in hogedrukmachines, die hij te gevaarlijk vond voor dagelijks gebruik; zijn invloed was zodanig dat dit type machine zich pas na zijn dood echt ontwikkelde.

In 1805 patenteerde een ingenieur uit Cornwall, Arthur Woolf, de hogedrukmachine met twee opeenvolgende cilinders (double compound) om een volledige expansie van de stoom te bereiken: dit principe heeft het voordeel dat de amplitude van opwarming en afkoeling van elk van de cilinders wordt verminderd en er dus brandstof wordt bespaard om de prestaties te verbeteren. Jacob Perkins, een Amerikaanse ingenieur, toonde aan dat het mogelijk was een stoommachine te bouwen die werkte bij een druk van bijna 35 atmosfeer. Sadi Carnot waardeerde dit werk, maar wees erop dat deze motor het mankement had dat hij het expansieprincipe van James Watt niet correct gebruikte.

Net als zijn tijdgenoten was Carnot sterk onder de indruk van de industriële superioriteit van Engeland ten opzichte van Frankrijk, die hij toeschreef aan het grootschalige gebruik van de stoommachine. Van 1811 tot 1840 werd de kunst van het pompen van water uit de mijnen van Cornwall regelmatig gemeld in de Monthly Engine Reporter onder redactie van Thomas en John Lean en herhaald in publicaties als de Annals of Chemistry and Physics. Deze records bevestigden definitief de superioriteit van hogedrukmachines. Bovendien leken de meeste ingenieurs er tegen 1820 van overtuigd dat er een duidelijke grens was aan de hoeveelheid werk die met een bepaalde hoeveelheid warmte kon worden verricht.

Deze gegevens, echte efemeriden, hadden het voordeel dat de werking van de verschillende pompmachines op eenvoudige wijze en rechtstreeks in arbeidseenheden (gewicht van het water en de hoogte waarop het werd opgepompt) kon worden vertaald. Sadi Carnot werd hierdoor geïnspireerd in zijn denken over de grondbeginselen van thermische machines.

Aan het begin van de 19e eeuw was de stoommachine zodanig verbeterd dat sommigen zich al bewust waren van de grenzen van de verbetering ervan. Een ingenieur met de naam A. R. Bouvier stelde in 1816 dat voor verdere verbeteringen wiskunde en natuurkunde nodig waren en niet alleen mechanische verbeteringen.

In die tijd stelde de Schotse ingenieur Ewart dat een bepaalde hoeveelheid warmte idealiter slechts een bepaalde hoeveelheid arbeid kon produceren.

Boerhaave had opgemerkt dat het systeem gevormd door lichamen met verschillende temperaturen de neiging had een thermisch evenwicht te bereiken en dat een geïsoleerd lichaam nooit spontaan zou opwarmen.

Tenslotte had Joseph Fourier in 1817 erop gewezen dat stralingswarmte moet voldoen aan een sinusvormige emissiewet. Zijn demonstratie dat de verwerping van deze wet zou leiden tot de erkenning van de mogelijkheid van eeuwigdurende beweging was waarschijnlijk het eerste gebruik van een dergelijke redenering buiten de Galileïsche mechanica. Er zij op gewezen dat Sadi Carnot deze zelfde redenering gebruikte in het tweede deel van de Réflexions met de stelling van het maximale rendement.

Lees ook: geschiedenis – Padri-oorlogen

Publicatie

Het werk, dat 118 bladzijden en vijf figuren telt, werd in eigen beheer uitgegeven door A-J-E Guiraudet Saint-Amé (X 1811) met vermelding van het huis Bachelier en gedrukt in 600 exemplaren. Ondanks de onmiskenbare helderheid van de stijl is de reeks delicate redeneringen van de auteur moeilijk te volgen, omdat hij in de tekst bewust heeft afgezien van algebraïsch taalgebruik en dit heeft beperkt tot enkele voetnoten. Als de auteur nieuwe begrippen wil introduceren, gebruikt hij de woordenschat van de natuurkundigen van zijn tijd: wet, bewegende kracht en gebruikt hij niet de termen cycli, adiabatische of omkeerbare transformatie, ook al beroept hij zich op de begrippen die zij aanduiden. Inhoudelijk is het handig om in het boek van Sadi Carnot vier delen te onderscheiden, en hoewel de tekst geen indeling bevat, volgt de auteur een zeer assertief plan, terwijl hij zijn overgangen verhult met korte verbindingszinnen, volgens de retorische praktijken van die tijd.

Lees ook: biografieen – Pierre Bonnard

Warmte en aandrijfkracht

Het eerste deel bevat een filosofische uiteenzetting van het gebied dat door de wetenschap van de warmte wordt bestreken, gezien vanuit een geheel nieuw gezichtspunt: warmte als drijfveer. In zijn boek houdt Carnot zich niet bezig met de aard van warmte; hij is ook niet geïnteresseerd in het opwarmen en afkoelen van verschillende lichamen, noch in de omstandigheden waaronder warmte wordt overgedragen, zoals Joseph Fourier en zijn volgelingen. Hij hield zich ook niet bezig met de chemische en fysiologische effecten van hitte.

Hij was geïnteresseerd in warmte als oorzaak van de grote natuurlijke bewegingen die zich op aarde voordoen, het windsysteem, de oceaanstromingen…; in dit opzicht overdreef hij het belang ervan. Sadi Carnot wist echter, en schijnt de eerste te zijn geweest die deze opmerking heeft gemaakt, dat het rendement van de beste en krachtigste stoommachines bespottelijk is in vergelijking met de enorme mechanische effecten die warmte in de natuur teweegbrengt.

Sadi Carnot is in staat een filosofisch standpunt in te nemen, waarbij hij zowel gebruik maakt van zijn kennis van de werking van stoommachines als van zijn expertise op het gebied van meteorologie of geofysica. Uit de leerboeken van die tijd blijkt dat het onwaarschijnlijk is dat een andere ingenieur hiertoe in staat zou zijn geweest, evenmin als een natuurkundige: de eersten zouden niet geïnteresseerd zijn geweest in een dergelijke abstracte veralgemening, terwijl de laatsten niet bijzonder geïnteresseerd zouden zijn geweest in drijfkracht. Alleen Lord Rumford, die enkele jaren eerder constateerde dat bij het boren van kanonnen veel warmte vrijkomt, concludeerde dat arbeid kan worden omgezet in warmte en dat deze twee begrippen uit dezelfde kern komen.

Dit eerste deel van de Beschouwingen bevat het fundamentele idee dat overal waar een temperatuurverschil is, de mogelijkheid bestaat om drijfkracht op te wekken, een idee dat een centrale rol speelt in de thermodynamica. En de consequentie daarvan is niet minder belangrijk: het is onmogelijk drijfkracht op te wekken als er niet zowel een koud als een warm lichaam is. Dit kan worden beschouwd als de eerste verklaring van de tweede wet van de thermodynamica, ook bekend als het principe van Carnot, ook al is het nog in een onnauwkeurige vorm.

Waarschijnlijk werd Sadi Carnot destijds geleid door het idee dat de meest efficiënte hydraulische machines die waren welke gebruik maakten van de grootste waterhoogte: hij zag hierin een analogie, met alle nuances die het verschil maken met een strikte overeenkomst, tussen deze hoogte en het verschil in temperatuur voor thermische motoren. Maar als een studie van de in de Monthly Engine Reporter gepubliceerde gegevens over de prestaties van hogedrukmotoren deze redenering niet bevestigde, was zijn intuïtie juist.

Lees ook: biografieen – Alexander Graham Bell

Ideale cyclus van een perfecte motor

Het tweede deel definieert een perfecte motor en zijn ideale bedrijfscyclus. Daartoe stelt hij zich een ideale machine voor, gewoonlijk een Carnot-machine genoemd, die gemakkelijk warmte kan uitwisselen met afwisselend een warm en een koud lichaam (figuur 6). In zijn studie wordt de warmtemotor strikt teruggebracht tot zijn essentiële elementen:

Carnot bevestigt dat het verschil in temperatuur tussen het hete en het koude lichaam, en niet het verschil in druk dat de werkende stof ervaart, bepalend is voor de arbeid die de motor verricht. Het lijkt erop dat hij dit belangrijke idee te danken heeft aan zijn vrienden Clément en Desormes.

Voor de ideale cyclus geldt deze voorwaarde: de stof die in de cilinder werkt, mag nooit in contact komen met een lichaam dat kouder of warmer is dan hijzelf, zodat er geen onnodige warmtestroom is. Het is interessant op te merken dat deze voorwaarde overeenkomt met die welke zijn vader had opgegeven voor het bepalen van het maximale rendement van hydraulische machines.

Alle temperatuurveranderingen moeten worden veroorzaakt door uitzetting of samendrukking van de werkende stof. De werkstof, die aanvankelijk onder hoge druk staat, zet vrij uit: zij duwt de zuiger en onttrekt warmte aan het hete lichaam waarmee de cilinder in contact staat (figuur 1). De cilinder wordt dan van het hete lichaam weg bewogen, en de stof blijft adiabatisch uitzetten, zodat zijn temperatuur afneemt tot hij gelijk is aan die van het koude lichaam (figuur 2). Dit deel van de cyclus komt overeen met de “expansie” van de machine van James Watt; maar het is nu de temperatuur van het koude lichaam en niet de druk van de condensor die het einde van de expansie markeert. De cilinder wordt dan in contact gebracht met het koude lichaam, en de werkende stof wordt samengeperst, waarbij de warmte eruit wordt “verdreven” (en de compressie wordt voortgezet zodat de werkende stof adiabatisch wordt verwarmd (figuur 4). Het nettoresultaat was slechts een overdracht van warmte van het hete naar het koude lichaam en de productie van externe arbeid; de werkende stof keerde terug naar zijn oorspronkelijke staat en er werd geen warmte verspild.

Lees ook: biografieen – Eduard V van Engeland

Omkeerbaarheid van de Carnot-cyclus

Sadi Carnot wijst erop dat de cyclus precies omkeerbaar is: de motor kan in tegengestelde richting worden aangedreven en het nettoresultaat is dan een verbruik van arbeid dat gelijk is aan het verbruik in de directe richting en de overdracht van dezelfde hoeveelheid warmte, maar in dit geval van het koude lichaam naar het warme lichaam. De omkeerbaarheid van de cyclus is mogelijk omdat er op geen enkel punt in de cyclus een onnodige warmtestroom is. Als er zo”n stroom zou zijn, zou de motor niet omkeerbaar zijn. Nu is de omkeerbare machine degene die het best mogelijke rendement geeft en Carnot concludeerde, als gevolg van de onmogelijkheid van eeuwigdurende beweging, dat stoom minstens zo bevredigend is als elke andere werkende stof. Toen hij beweerde dat dit theoretisch waar was, zagen de ingenieurs van die tijd dit als een abstracte bevestiging van wat zij in de praktijk hadden geleerd.

Toepassingen in de gasfysica

In het derde deel laat Sadi Carnot zien dat het feit dat alle ideale warmtemachines hetzelfde rendement hebben, ongeacht het gebruikte gas of de gebruikte stoom, fundamentele implicaties heeft voor de fysica van gassen. Carnot toont aan dat alle gassen die uitzetten of worden samengeperst van de ene druk en volume naar een andere druk en volume bij constante temperatuur dezelfde hoeveelheid warmte opnemen of afgeven. Hij kan ook relaties afleiden tussen de specifieke warmte van gassen, d.w.z. de specifieke warmte bij constante druk en de specifieke warmte bij constant volume. In een voetnoot, die door vroege commentatoren over het hoofd werd gezien, suggereert hij dat het rendement van een ideale warmtemotor de basis zou kunnen zijn voor een absolute temperatuurschaal.

Lees ook: biografieen – Hendrik IV van Frankrijk

Luchtmotor intuïtie

In het laatste deel van het boek merkt Sadi Carnot op dat de superioriteit van hogedrukstoommachines onbetwistbaar is omdat zij gebruik maken van een grotere temperatuurval dan lagedrukmachines. Carnot erkent dat het grote voordeel van water als bron van stoom, het feit dat het enorm uitzet over een zeer klein temperatuurbereik, de realisatie van de vroege stoommachine mogelijk maakte. Hij komt echter tot de opmerkelijke conclusie dat dit voordeel water minder geschikt zou maken voor de warmtemotor van de toekomst. De enorme drukverhoging bij zeer kleine temperatuurstijgingen boven 100 °C maakt het namelijk vrijwel onmogelijk om te werken over het gehele temperatuurbereik van de verbranding van kolen tot de condensatie van koud water.

Sadi Carnot voorspelde dan ook dat, zodra verschillende technische problemen betreffende smering en verbranding waren opgelost, de meest efficiënte motor waarschijnlijk de luchtmotor zou zijn.

Lees ook: biografieen – Eumenes van Cardia

Aanvaarding van het werk

Het werk werd goed ontvangen, ook door de Académie des Sciences, waaraan Pierre-Simon Girard, directeur van een wetenschappelijk tijdschrift, op de zitting van 14 juni 1824 het werk van Carnot presenteerde, aangevuld met een analytische uiteenzetting, in mondelinge vorm, aan zijn collega”s op 26 juli. Het is duidelijk dat een presentatie aan de Academie in de vorm van een memoires ongetwijfeld meer aandacht voor het werk van Sadi Carnot in de wetenschappelijke gemeenschap zou hebben getrokken, met publicatie in het Recueil des Savants étrangers als een natuurlijk vervolg. Zo reageerden noch de “grote Franse wetenschap”, vertegenwoordigd door het Institut de France, noch de beroemde École Polytechnique echt op de publicatie van het werk van Carnot, omdat zij de betekenis ervan niet ten volle beseften. Carnot van zijn kant, die blijkbaar geen gevoel voor publiciteit had, liet na een exemplaar naar de bibliotheken van de École des mines en de École des ponts et chaussées te sturen, waardoor hij zichzelf een uitgelezen publiek ontnam, net zoals hij geen recensie stuurde naar de Annales de chimie et de physique of de Annales des mines. Bovendien moet worden opgemerkt dat, ondanks een beperkte oplage, sommige onverkochte exemplaren ongesneden werden aangetroffen.

Aan de technische kant gaf alleen de academicus Pierre-Simon Girard een lovende beoordeling. Tegen de tijd dat de Réflexions verschenen, hadden ingenieurs al uit ervaring geleerd dat stoom minstens zo bevredigend was als elke andere werkzame stof. Toen Carnot beweerde dat dit theoretisch waar was, werd dit gezien als niet meer dan een abstracte bevestiging.

Bovendien waren zijn verklaringen over de superieure efficiëntie van hogedrukstoommachines gebaseerd op gegevens die waren gepubliceerd in de Monthly Engine Reporter en op de prestaties van de Woolf-machines, die werken door middel van hogedrukexpansie en die in Frankrijk waren gebouwd door Humphrey Edwards. Deze prestaties hielden echter waarschijnlijk meer verband met een optelsom van detailverbeteringen dan met een echt thermodynamisch voordeel. Sadi Carnot had dus geen gelijk om de superioriteit van hogedrukstoommachines in te roepen ter ondersteuning van zijn fundamentele theorieën.

Met uitzondering van Nicolas Clément-Desormes, die, zoals blijkt uit een lezing van 25 januari 1825, zijn toehoorders aanraadde het boek te lezen, waren natuurkundigen en andere wetenschappers ongetwijfeld in de war door fundamentele redeneringen op basis van de principes van de stoommachine.

Pas in 1834 publiceerde Émile Clapeyron een artikel in het tijdschrift van de École Polytechnique waarin hij liet zien hoe de ideeën van Sadi Carnot mathematisch konden worden uitgedrukt en tegelijkertijd hun verklarende waarde benadrukte, en pas met de heruitgave van de Réflexions door dezelfde auteur, aangevuld met zijn commentaar, begon Sadi Carnot geleidelijk invloed uit te oefenen op de wetenschappelijke gemeenschap.

Hierdoor kwam William Thomson in 1851 in aanraking met het werk van Carnot. In een lange reeks artikelen legden Thomson en Rudolf Clausius vanaf 1850 het principe van behoud van energie (en niet langer van warmte) vast als de basis van de thermodynamica. Om de bijdrage van Rudolf Clausius te erkennen, kreeg het principe van Carnot de naam Carnot-Clausius principe. Dit principe maakt het mogelijk het maximale rendement van een thermische machine te bepalen als functie van de temperaturen van de warme en koude bronnen, een rendement dat varieert tussen 8% en 30%, afhankelijk van het ontwerp van de machines.

De vraag blijft: waarom heeft Sadi Carnot niets gepubliceerd in de acht jaar tussen de publicatie van de Réflexions en zijn dood? Hoewel er verschillende verklaringen kunnen worden aangevoerd, is de meest waarschijnlijke reden dat hij geen vertrouwen meer had in zijn theorieën en niet in staat bleek een nieuwe theorie over warmte te vinden. Sadi Carnot werd met calorica geconfronteerd met een van de moeilijkst te overwinnen epistemologische obstakels, die Gaston Bachelard dierbaar was: het substantialisme, d.w.z. de monotone verklaring van fysische eigenschappen door substantie.

Onder zijn postume geschriften is een manuscript bewaard gebleven met de titel Recherche d”une formule propre à représenter la puissance motrice de la vapeur d”eau, geschreven tussen november 1819 en maart 1827 maar waarschijnlijk na de Reflections. Daarin schetste hij de eerste wet van de thermodynamica, in een poging het verband tussen arbeid en warmte te verduidelijken. Deze nota werd uiteindelijk in 1878, dus te laat om de ontwikkeling van de wetenschap te beïnvloeden, gepubliceerd door Hippolyte Carnot, in een bundel die werd uitgegeven als eerbetoon aan zijn broer en waarin hij een “Biografische nota over Sadi Carnot” opnam. Het was ongetwijfeld in het voorjaar van 1832 dat Sadi het principe van gelijkwaardigheid ontdekte en dat hij in korte notities de conclusies van een lange memorie opnam, die uiteindelijk door Hippolyte werd vernietigd. Uit deze aantekeningen, die ook in 1878 werden gepubliceerd, blijkt dat hij toen al was afgestapt van de calorietheorie, die nog doorwerkte in zijn essay uit 1824 en waarover hij in de Bespiegelingen al zijn twijfels had geuit. Het schijnt dat hij had toegegeven dat warmte niets anders is dan drijfkracht (tegenwoordig zouden we zeggen energie), en dat hij een numerieke waarde voor het mechanische equivalent van warmte voorstelde tot op 2% nauwkeurig, tien jaar eerder dan Julius Robert von Mayer, en blijkbaar met meer wetenschappelijke nauwkeurigheid verkregen.

Om zijn vorderingen te valideren had hij gedetailleerde experimenten geschetst, die wij nu constante enthalpie zouden noemen, vergelijkbaar met die van Benjamin Thompson. Maar in tegenstelling tot Thompson wilde hij de verrichte arbeid en de geproduceerde warmte meten, terwijl hij de gebruikte materialen varieerde. In die zin had hij goede hoop een constant mechanisch equivalent van warmte te vinden dat voor alle experimenten dezelfde waarde zou hebben. Hij overwoog ook metingen met gassen en vloeistoffen om het mechanische equivalent van warmte te berekenen.

Het is moeilijk te weten of hij deze experimenten naar tevredenheid had kunnen uitvoeren. De geschiedenis van de thermodynamica moest nog lopen voordat de theorie tot stand kwam, dus de moeilijkheden die hij had moeten overwinnen kunnen nauwelijks worden onderschat.

Het was ook nodig geweest om met name de grote groep chemici en al degenen die onderzoek deden naar elektriciteit te overtuigen: allen waren zeer gehecht aan de calorietheorie. Pas James Prescott Joule formuleerde uiteindelijk de dynamische theorie van warmte. Zeven jaar scheidden zijn eerste publicatie (1843) en de publicatie van Rudolf Clausius, die de dynamische theorie van warmte (Joule) in overeenstemming bracht met de theorieën van Sadi Carnot.

Uiteindelijk is het jammer maar helaas waarschijnlijk dat Sadi Carnot stierf in de overtuiging dat hij had gefaald, terwijl hij in feite gewoon een grote en fundamentele tak van wetenschap met complexe structuren heeft opgericht, de thermodynamica, die de natuurkunde, de scheikunde, de biologie en zelfs de kosmologie met elkaar verbindt.

Invloed van het werk van Lazare Carnot op dat van zijn zoon

Voor de wetenschapshistoricus rijzen verschillende vragen over het verband tussen de werken van de twee ingenieurs:

Lees ook: belangrijke_gebeurtenissen – Vrede van Campo Formio

Werk van synthese

Voor D.S.L. Cardwell is het boek van Sadi Carnot, hoewel veel minder bekend dan De revolutionibus orbium coelestium van Copernicus, van vergelijkbaar belang in de geschiedenis van de moderne wetenschap omdat het de basis legde voor een geheel nieuwe discipline: de thermodynamica.

Toch heeft het werk van Carnot een originele dimensie. Copernicus werkte in een duidelijk omschreven en erkende discipline; hij kon steunen op een in twee millennia opgebouwde erfenis van beschouwingen en waarnemingen (de efemeriden). Sadi Carnot daarentegen moest verschillende wetenschappelijke en technische disciplines samenvoegen. Daartoe moest hij de te bestuderen gegevens selecteren, theorieën opbouwen uit concepten, wetten en principes uit de wetenschappen van warmte en mechanica, die nog gescheiden waren, van technologieën in volle ontwikkeling zoals stoom of al meer ingeburgerd zoals hydraulica, maar die ook nog niet met elkaar verbonden waren. Bovendien zag alleen hij in 1824 de noodzaak in van deze nieuwe wetenschap, zowel voor de praktische toepassingen als om meer fundamentele redenen.

Lees ook: biografieen – Marilyn Monroe

Carnaval Revolutie

Vanuit een meer algemeen oogpunt betekende het werk van Sadi Carnot het begin van wat Jacques Grinevald de Carnot-revolutie noemt, die heeft geleid tot de overgang naar een thermo-industriële samenleving met een massaal gebruik van fossiele energie (steenkool en vervolgens olie). Vanaf dat moment maakte de kracht van het vuur de komst mogelijk van een nieuwe machine, gebouwd rond een motor, die een bifurcatie vormde in de geschiedenis van het gereedschap. Het maakt het mogelijk de drijvende kracht van de mens, van het dier, van de gebruikelijke natuurlijke elementen zoals wind en water, uit te schakelen om betekenis te geven aan de oude collectieve voorstelling van bezielde wezens, van Hephaestus tot het elektrische spook van Hadaly. Tegelijkertijd zal deze stuwende kracht van het vuur de eeuwenoude band tussen technologie en de onmiddellijke geografische omgeving verstoren, met de ongekende ontwikkeling van netwerken en stromen en de geografische concentratie van apparatuur die mogelijk wordt door de delokalisatie van deze kracht.

Evaluatie en nasleep

Sadi Carnot ontdekte de twee wetten waarop de hele energiewetenschap is gebaseerd, ondanks obstakels die onoverkomelijk leken. Hij gaf een maatstaf voor de uitzonderlijke kracht van zijn intuïtie door zijn wetten te formuleren toen de feiten onvoldoende in aantal en hun nauwkeurigheid ruw waren en vooral toen de vooruitgang van de ontluikende wetenschap werd tegengehouden door de foutieve theorie van de onverwoestbare calorische waarde.

Hij besloot intuïtief dat de stoommachine leek op de oude watermolen, die energie produceert door water van een hoog niveau naar een lager niveau te laten vallen, dat zij energie produceert door warmte van de hoge temperatuur van de ketel naar de lagere temperatuur van de condensor te laten vallen. Hij vond dat dit verschil in temperatuur een duidelijk verschijnsel was, maar dat de daling van de warmte zelf veel minder duidelijk was, en hij was voorzichtig in zijn wet om de daling van de temperatuur de essentiële rol te laten spelen. Wij zouden vandaag zeggen dat hij raadde dat er een verschil was tussen warmtevormende energie en warmte die als water uit de molen valt. Wij weten dat het 40 jaar na zijn boek duurde om entropie te definiëren uit de hoeveelheid warmte als het equivalent van molenwater en wij bewonderen dat hij dit lastige probleem vermeed en uiteindelijk eerst de calorietheorie verwierp.

Met zijn universele reikwijdte is zijn werk waarschijnlijk uniek in de geschiedenis van de moderne wetenschap en in die zin was Nicolas Léonard Sadi Carnot zeker een van de meest indringende en originele denkers die onze beschaving heeft voortgebracht.

Voor sommigen zal hij “een meteoor in de geschiedenis van de wetenschap” blijven, een bijzondere figuur voor wie het “met een blad papier, een pen en een verstand de basis van een nieuwe wetenschap heeft gelegd, een zeer bewonderenswaardige geest is”. “De dood van grote mannen laat evenveel spijt als nieuwe hoop achter.

In 1970 noemde de Internationale Astronomische Unie de maankrater Carnot naar de Franse natuurkundige en later de asteroïde (12289) Carnot.

De Carnot-methode, een exergietoewijzingsprocedure voor de evaluatie van warmtekrachtkoppelingsproducten en de berekening van de fysieke waarde van de geproduceerde warmte, is naar hem genoemd.

In 2006 werd in Frankrijk het label Carnot opgericht om de interface tussen openbaar onderzoek en sociaal-economische actoren te ontwikkelen als antwoord op hun behoeften: deze toewijding brengt hulde aan wat Sadi Carnot de fundamentele fysica heeft gebracht door een zeer toegepaste vraag te onderzoeken.

Lees ook: biografieen – Maria Louisa van Parma

Externe links

Bronnen

Sadi Carnot (physicien)
Sadi Carnot
Sadi est le seul prénom mentionné pour l’état civil, Nicolas et Léonard étant des prénoms de baptême.
^ (US) M. Hippolyte Carnot, Life of Sadi Carnot , Second revised edition, John Wiley & Sons, 1897
^ 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
^ Thomass, T (2003). “Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832)” (PDF). Université de Technologie de Compiègne. Archived from the original (PDF) on 2017-02-15. Retrieved 2014-07-19.
^ Chisholm 1911.
2,0 2,1 MacTutor History of Mathematics archive. Ανακτήθηκε στις 22 Αυγούστου 2017.