Nicolas Léonard Sadi Carnot

Mary Stone | 19 decembra, 2022

Zhrnutie

Nicolas Léonard Sadi Carnot bol francúzsky fyzik a inžinier, ktorý sa narodil 1. júna 1796 v Paríži a zomrel 24. augusta 1832 v Ivry-sur-Seine alebo v Paríži.

Počas svojej krátkej kariéry (zomrel na choleru vo veku 36 rokov) vydal Sadi Carnot len jednu knihu (podobne ako Koperník): Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance, v roku 1824, v ktorej vo veku 27 rokov vyjadril to, čo sa stalo jeho životným dielom a významnou knihou v dejinách fyziky.

V tejto práci položil základy úplne novej disciplíny, termodynamiky. V tom čase tento pojem ešte neexistoval; v polovici 19. storočia ho vymyslel William Thomson. Napriek nepresnosti niektorých svojich koncepcií (prijatie teórie tepla a axiómy zachovania tepla) to bol Sadi Carnot, kto objavil túto vedu, ktorá bola rovnako zásadná z teoretického hľadiska, ako aj plodná z hľadiska praktických aplikácií.

Sadi Carnot sformuloval zdôvodnený opis tepelného motora a základné princípy, podľa ktorých sa dnes konštruuje každá elektráreň, výbuchový alebo prúdový motor. Pozoruhodnejšie je, že k tejto genéze došlo v čase, keď ešte žiadny predchodca nedefinoval povahu a rozsah predmetu. Intelektuálna cesta Sadiho Carnota, založená na čisto technických záujmoch, ako napríklad zlepšenie výkonu parného stroja, je originálna a je predzvesťou dôležitého vývoja, ktorý sa uskutočnil v tomto prelomovom období modernej vedy.

Najstarší syn Lazara Carnota (1753 – 1823), známeho ako „Veľký Carnot“ alebo „organizátor víťazstva“, Sadi Carnot sa narodil v Paríži, v paláci Petit-Luxembourg, kde mal jeho otec, jeden z piatich výkonných riaditeľov republiky, svoj služobný byt. Jeho krstné meno pochádza z mena perzského básnika Saadiho zo Šírázu, ktorého jeho otec veľmi obdivoval.

V čase Sadiho narodenia bol Lazare Carnot na vrchole svojej kariéry. Matematik a inžinier, žiak Gasparda Mongea a autor eseje o strojoch všeobecne (1783), Lazare Carnot bol aj vojak, vodca ľudí a revolucionár. V roku 1789 bol zvolený do Ústavodarného zhromaždenia a potom do Konventu a hlasoval za smrť kráľa Ľudovíta XVI. Počas vojen Francúzskej revolúcie získal v rámci Výboru verejnej bezpečnosti prezývku „organizátor víťazstva“. Po členstve v direktóriu bol v roku 1800 šesť mesiacov ministrom vojny Napoleona Bonaparta a potom ministrom vnútra počas Sto dní v roku 1815. V októbri toho istého roku, po Napoleonovej porážke, bol vyhnaný ako regicida. Žil v Belgicku, potom v Poľsku a Nemecku, kde zomrel, ale do Francúzska sa už nevrátil.

Jeho matka Sophie Dupontová (1764-1813) pochádzala z bohatej rodiny v Saint-Omer.

Sadi Carnot mal mladšieho brata Hippolyta Carnota (1801 – 1888), ktorý urobil politickú kariéru: v rokoch 1839 – 1848 bol poslancom, v roku 1848 ministrom školstva, odmietol podporiť druhé cisárstvo a za tretej republiky sa stal opäť poslancom, v roku 1875 bol zvolený do senátu a v roku 1887 sa stal členom Académie des sciences morales et politiques. Sadi Carnot bol strýkom Marie François Sadi Carnotovej (všeobecne známej aj ako Sadi Carnot), ktorá bola v roku 1887 zvolená za prezidentku Francúzskej republiky a v roku 1894 ju zavraždil anarchista Sante Geronimo Caserio.

Nikdy sa neoženil a nemal potomkov.

Rané roky

Po štátnom prevrate 4. septembra 1797 musel Lazare Carnot opustiť Francúzsko, čo trvalo až do januára 1800, keď ho Bonaparte omilostil; počas tohto obdobia žil Sadi Carnot so svojou matkou v rodinnom dome v Saint-Omer. V auguste 1807 sa Lazare Carnot, ktorý sa po zrušení tribunálu vrátil do súkromného života, rozhodol, že sa sám postará o vzdelanie svojich dvoch synov a bude ich učiť matematiku, prírodné vedy, jazyky a hudbu.

V roku 1811 Sadi Carnot nastúpil na Lycée Charlemagne do prípravnej triedy Pierra-Louisa Marie Bourdona, aby sa pripravil na prijímacie skúšky na École Polytechnique. Po dosiahnutí minimálneho veku 16 rokov 1. júna 1812 sa Sadi Carnot mohol v auguste nasledujúceho roku zúčastniť na výberovej skúške, na ktorej bol prijatý ako 24. zo 179 a 2. novembra zaradený do druhej divízie.

Polytechnik

V rokoch 1812-1813 kurzy fungovali normálne napriek neúspechom, ktoré utrpeli cisárske vojská. Jeho učiteľmi boli Reynaud pre analýzu, Poisson pre mechaniku, Hachette pre deskriptívnu geometriu, Louis Jacques Thénard pre všeobecnú a aplikovanú chémiu, Jean-Henri Hassenfratz pre fyziku a François Arago pre infinitezimálny počet a teóriu strojov. Počas tohto prvého ročníka ho učili aj takí ľudia ako Alexis Petit na fyziku a Pierre Louis Dulong na chémiu, ktorých práce neskôr používal. Zdá sa, že v októbri 1813 dokonca uvažovali o jeho okamžitom preložení do delostreleckého oddielu školy v Metz, ale nakoniec ho považovali za príliš mladého.

Druhý rok bol z hľadiska výučby menej plodný. Koncom januára 1814 začlenenie študentov do troch rôt delostreleckého zboru Národnej gardy postupne prerušilo priebeh výučby. 29. a 30. marca 1814 Sadi Carnot, ktorý bol jedným zo šiestich desiatnikov roty, bojoval s polytechnickým práporom a dostal sa pod paľbu v neškodnej potýčke pri obrane pevnosti vo Vincennes proti spojencom; to bola pravdepodobne jeho jediná bojová skúsenosť. Vyučovanie sa obnovilo 18. apríla, ale Sadi sa vrátil až 12. mája. Dňa 12. októbra 1814 bol vyhlásený za spôsobilého pre štátnu službu, 10. na všeobecnom zozname 65 študentov, ktorí zostali v jeho triede. V osobitnom zozname desiatich študentov prijatých na vojenské inžinierstvo ako podporučík na École d’application de l’artillerie et du génie v Metz sa umiestnil na 5. mieste. Týmto sa skončilo kľúčové obdobie jeho vzdelávania, na ktoré sa odvolával, keď publikoval svoje Réflexions a podpísal sa pod svoje dielo „Sadi Carnot, bývalý študent Ecole Polytechnique“.

Škola Metz

Sadi Carnot získal 1. októbra 1814 titul inžiniera kadeta a v posledných dňoch roku 1814 po období oddychu nastúpil na École de Metz. V tejto prestížnej aplikačnej škole, ktorá je dedičom Kráľovskej inžinierskej školy v Mézières, absolvoval kurzy aplikovanej matematiky a fyziky Françoisa-Marie Dubuata a Jacquesa Frédérica Françaisa, kurzy chémie aplikovanej na vojenské umenie a pyrotechniky Chevreuseho. Jeho prepožičanie hodnosti podporučíka v 2. pluku sapérov, ktoré znamená ukončenie školy a jeho skutočný vstup do vojenskej kariéry, je datované 2. apríla 1817. Podľa tradície mu bola okamžite udelená trojmesačná dovolenka, ktorú si predĺžil do 15. októbra 1817, pričom väčšinu tohto obdobia pravdepodobne strávil v rodinnom dome v Nolay u svojho strýka, generálporučíka Carnota de Feulins.

Prvé úlohy

S príchodom mieru v roku 1815 bol nútený žiť v rutinnej posádke s malými vyhliadkami. Keďže bol synom republikánskeho vodcu v exile, považovali ho za nebezpečného, a tak bolo dohodnuté, že jeho miesto pôsobenia bude ďaleko od Paríža.

Sadi Carnot sa pravidelne presúval, kontroloval opevnenia, vypracovával plány a písal početné správy. Jeho odporúčania však boli zjavne ignorované a jeho kariéra stagnovala.

Rozkazom zo 6. mája 1818 bol zriadený kráľovský štáb a výcviková škola pre generálny štáb armády. 15. septembra 1818 dostal Sadi Carnot šesťmesačnú dovolenku, aby sa mohol pripraviť na prijímacie skúšky v Paríži.

Inštalácia v Paríži

Rozkazom z 20. januára 1819 bol prijatý do parížskeho generálneho štábu v hodnosti poručíka a zaradený na dovolenku, pričom ako vedecký pracovník dostával dve tretiny svojho hrubého platu. Sadi Carnot žil vedľa svojho strýka Josepha v malom byte vo štvrti Marais, ktorý obýval do polovice roku 1831, a navštevoval kurzy na Sorbonne a Collège de France, ale nie na École des Mines, na ktoré potreboval povolenie od vyššej správy, o ktoré nikdy nepožiadal, a kde sa mohol stretnúť s mladým Emilom Clapeyronom. Študoval na Národnom konzervatóriu umenia a techniky, kde Clément-Desormes vyučoval predmet chémia aplikovaná na umenie a Jean-Baptiste Say predmet priemyselná ekonomika. Navštevoval tiež Jardin des plantes a Kráľovskú knižnicu, ale aj múzeum Louvre a Talianske divadlo v Paríži. Sadi Carnot sa zaujíma o priemyselné problémy, navštevuje dielne a továrne, študuje teóriu plynov a najnovšie teórie politickej ekonómie. Zanechal podrobné návrhy na riešenie aktuálnych problémov, ako sú dane, ale fascinovala ho aj matematika a umenie.

Členovia kruhu, ktorý navštevoval, boli radikálni a republikánski a jeho najbližšími priateľmi boli Nicholas Clément a Charles Desormes, vedci a priemyselní chemici, editori „Mémoire sur la théorie des machines à feu“ a jediní fyzici, s ktorými skutočne nadviazal kontakt pred napísaním Réflexions.

V lete 1820 sa Sadi opäť stretol so svojím bratom Hippolytom, ktorý prišiel na niekoľko dní do Francúzska a žil so svojím otcom. Dňa 23. júna 1821 mu ministerstvo vojny udelilo neplatenú dovolenku, aby mohol navštíviť svojho otca v exile v Magdeburgu. Práve tam sa spolu s otcom začal zaujímať o parné stroje, keďže prvý z nich bol postavený v Magdeburgu o tri roky skôr. Po návrate do Paríža začal uvažovať o tom, čo sa stalo známym ako termodynamika. Jeho prvé významné diela pochádzajú z rokov 1822-1823. Keď jeho otec v auguste 1823 zomrel, jeho brat Hippolyte sa vrátil do Paríža a pomáhal mu s jeho spismi, „aby ich pochopili ľudia, ktorí sa venujú iným štúdiám“. Od svojho prepustenia sa Sadi držal bokom od politických prúdov, ktoré priťahovali liberálnu mládež, a nezdalo sa, že by ho priťahovali organizované vedecké skupiny, ako napríklad Société philomathique de Paris, ktorej členovia mali ambície vstúpiť do Académie des Sciences. Zúčastnil sa však na stretnutí polytechnikov a priemyselníkov, kde zrejme predniesol prezentáciu o vzorci na vyjadrenie hnacej sily pary.

Koniec dostupnosti

V októbri 1824 sa zobudil štábny poručík Sadi, ktorý vykonával topografické práce na ceste z Coulommiers do Couilly-Pont-aux-Dames. V roku 1825 vykonal podobné práce na ceste z Villeparisis k prievozu v Gournay-sur-Marne. 10. decembra 1826 bolo podpísané nariadenie o organizácii kráľovského štábu a 31. decembra bol Sadi pridelený k 7. pešiemu pluku s posádkou v Thionville. „Angažoval som sa v záujmových záležitostiach, ktoré som nemohol náhle opustiť bez toho, aby som utrpel veľmi veľké straty“, Sadi získal trojmesačnú dovolenku s polovičným platom. Dňa 6. marca 1827 zopakoval svoju žiadosť, v ktorej poukázal na svoje nedostatočné schopnosti pre službu v pechote, a dosiahol svoje opätovné zaradenie k ženistom od 25. marca 1827 a pokračovanie v dovolenke, tentoraz bez nároku na plat, do 15. septembra 1827. Po reorganizácii personálu bol poslaný do Auxonne, bývalej pevnosti na Zlatom pobreží. Dňa 27. septembra 1827 bol povýšený do hodnosti druhého kapitána ženijného vojska.

Odstúpenie

Dňa 21. apríla 1828 Sadi ponúkol svoju rezignáciu z armády „pre správu mojich osobných záležitostí a najmä pre starostlivosť, ktorú treba venovať súdnemu procesu, na ktorom som zainteresovaný, som ďaleko od konca, vidiac, že moje postavenie ma nestavia do stavu, aby som mohol dnes vykonávať svoje povinnosti bez toho, aby som ohrozil to, čo mám“. 19. mája 1828 ministerstvo vojny prijalo jeho rezignáciu: od odchodu zo školy v Metz mal Sadi Carnot za sebou sotva pätnásť mesiacov aktívnej vojenskej služby vrátane topografických prieskumov. Pokiaľ ide o súdny proces, do ktorého bol zrejme zapojený, je ťažké zistiť viac, hoci v jeho adresári sa spomína meno Giraudeau, ktorý mal advokátsku kanceláriu na ulici Sainte-Anne. Hoci Sadi nedosiahol status demi-solda, mohol sa teraz vrátiť do Paríža a venovať sa štúdiu a osobnému výskumu.

Sadiho krstný otec, jeho starý otec z matkinej strany Dupont, mu po svojej smrti v roku 1807 odkázal takmer milión zlatých frankov, z ktorých Lazare Carnot dostal tretinu. Sadiho dedičský podiel mu umožňoval viesť pokojný život skromného dôchodcu, ale tento život bez zápalu a dynamiky bol nepochybne nevyhnutný pre jeho slabé zdravie. Keď sa ho knihovník Ambroise Fourcy opýtal na jeho povolanie pre jeho Histoire de l’École polytechnique, Sadi Carnot vyhlásil, že je „konštruktér parných strojov“. Jeho meno sa však neobjavuje v žiadnom zozname výrobcov, ktorý sa každoročne uverejňuje v Almanachu Bottin. Mal v úmysle vstúpiť do tejto profesie, hral úlohu konzultačného inžiniera, požičal peniaze výrobcovi, alebo to bol len žart? Treba tiež poznamenať, že Sadi Carnot nikdy nepodal žiaden patent a že na École centrale des arts et manufactures, založenej v roku 1829 a zodpovednej za vzdelávanie inžinierov pre súkromný priemysel, nezastával žiadnu katedru ani skúšobnú funkciu. 17. augusta 1830 vznikla Polytechnická asociácia, ktorá združovala bývalých študentov školy a ku ktorej sa Sadi Carnot okamžite pridal.

Nariadenie z 10. februára 1831 stanovilo vytvorenie roty delostrelcov v každom arrondissemente a „na konci drobných harašení, ktoré boli niekedy veľmi bezvýznamné“, bol Sadi prijatý do 8. delostreleckej roty v hodnosti poddôstojníka alebo nanajvýš kaprála.

V auguste 1831 ho vydanie dvoch memoárov Pierra Louisa Dulonga podnietilo k tomu, aby pokračoval v práci na fyzikálnych vlastnostiach plynov. V tom istom roku dostal záchvat šarlachovej horúčky a vážne ochorel, pričom istý čas trpel záchvatmi delíria. V apríli 1832 Revue Encyclopédique informovala o práci baróna Bleina v článku podpísanom S.C., pravdepodobne Sadi Carnot. Portrét, ktorý v tomto čase nakreslil umelec Despoix, zobrazuje tvár unaveného muža s ustaraným pohľadom, ktorého duševná rovnováha sa už nezdá byť istá.

Jeho zdravotný stav mu nedovolil zúčastniť sa na zasadnutí Polytechnickej asociácie 20. júna 1832 a Hippolyte vo svojej bibliografickej poznámke poznamenáva, že „nadmerné nasadenie, ktorému sa oddal, ho koncom júna 1832 priviedlo k chorobe“. Dňa 3. augusta bol prijatý do opatrovateľského domu alienistického lekára Jeana-Étienna Esquirola, ktorý sa nachádzal na rue de Seine 7 (dnes rue Lénine), kde lekár diagnostikoval mániu, t. j. generalizované delírium s excitáciou. Krátko nato sa v matrike opatrovateľského domu v Ivry uvádza, že „vyliečený z mánie zomrel 24. augusta 1832 na choleru“. Úmrtie oznámil v ten istý deň na radnici v Ivry ekonóm domova dôchodcov, zjavne takým spôsobom, aby sa o tom vyhol akejkoľvek zmienke, akoby dostal inštrukcie od Hippolyta. Hippolyte musel oznámiť úmrtie aj na radnici 12. obvodu. Občiansky pohreb sa konal v podmienkach takmer úplnej anonymity. Bol pochovaný na starobylom cintoríne v Ivry-sur-Seine. Po jeho smrti boli jeho osobné veci (vrátane archívu) spálené, aby sa zabránilo šíreniu choroby.

Technicko-vedecké zázemie

Na to, aby sme pochopili knihu Sadiho Carnota a ocenili originalitu diela, je potrebné špecifikovať situáciu vedy a techniky v skúmanej oblasti v druhom desaťročí 19. storočia.

Keď mladý Sadi Carnot nastúpil na École Polytechnique, jedinou uznávanou vedou založenou na matematike bola mechanika. Chémia, elektrina, magnetizmus a teplo rýchlo napredovali, ale nedosiahli štádium matematickej abstrakcie.

Vedu o teple umožnil vynález teplomera v 17. storočí (najmä Santoriov teplomer), ale zostala predmetom záujmu chemikov a lekárov. Predložili axiómu zachovania tepla, ktoré vtedy chápali ako látku: „kalorické“.

Práca Benjamina Thompsona (lorda Rumforda), Pierra-Simona de Laplace, Jeana-Baptista Biota, Siméona Denisa Poissona a Josepha Fouriera umožnila matematikom a fyzikom zaujímať sa o teplo, najmä o jeho prenos.

Meteorológovia zároveň lepšie chápali úlohu tepla vo veternom alebo oceánskom prúdení, ktoré sa považovalo za veľkú hnaciu silu sveta. Adiabatické ohrievanie a ochladzovanie vzduchu sa používalo najmä na vysvetlenie terénnych pozorovaní, ako je stabilita snehových polí na rovníku.

Prvé parné stroje s praktickým využitím sa objavili začiatkom 18. storočia a fungovali takto: para sa použila na vytlačenie vzduchu z valca, ktorý sa potom ochladil, takže para skondenzovala a vonkajší atmosférický tlak spôsobil, že piest klesol späť. Para sa potom nechala znovu naplniť valec a cyklus sa opakoval (pozri stroj Thomasa Newcomena). Tieto stroje pracovali pomaly a nepravidelne, ale boli vhodné na čerpanie vody z baní. V tomto kontexte bola voda najvhodnejšou pracovnou látkou, najmä preto, že sa pri premene na paru zväčší približne na 1800-násobok svojho pôvodného objemu.

V 60. rokoch 17. storočia James Watt s cieľom odstrániť neekonomické zahrievanie a striedavé ochladzovanie valca kondenzoval paru v samostatnom studenom valci alebo kondenzátore, zatiaľ čo hlavný valec bol neustále horúci. Okrem toho použil horúcu paru na spustenie piestu do valca, čím ešte viac znížil tepelné straty. Watt si všimol, že sa dá dosiahnuť značná úspora, ak sa prívod pary preruší pred pohybom piesta do valca: zachytená para bude naďalej pohybovať piestom smerom nadol s mierne klesajúcim tlakom. Keď para prechádza do kondenzátora, zostáva v nej určitá „pružnosť“ (tlak): to sa nazýva expanzný účinok. Na druhej strane James Watt nikdy neveril vo vysokotlakové stroje, ktoré považoval za príliš nebezpečné na každodenné použitie; jeho vplyv bol taký, že tento typ strojov sa skutočne rozvinul až po jeho smrti.

V roku 1805 si cornwallský inžinier Arthur Woolf dal patentovať vysokotlakový kombinovaný motor, ktorý využíva dva po sebe idúce valce (dvojitá kombinácia) na dosiahnutie úplnej expanzie pary: tento princíp má výhodu v tom, že znižuje amplitúdu ohrievania a chladenia každého z valcov, a teda šetrí palivo a zvyšuje výkon. Americký inžinier Jacob Perkins ukázal, že je možné zostrojiť parný stroj pracujúci pri tlaku takmer 35 atmosfér. Sadi Carnot ocenil túto prácu, ale poukázal na to, že tento motor má tú chybu, že nepoužíva správne princíp expanzie Jamesa Watta.

Carnota, podobne ako jeho súčasníkov, veľmi zaujala priemyselná prevaha Anglicka nad Francúzskom, ktorú pripisoval rozsiahlemu využívaniu parného stroja. V rokoch 1811 až 1840 sa o umení čerpania vody z cornwallských baní pravidelne písalo v mesačníku Monthly Engine Reporter, ktorý vydávali Thomas a John Leanovci, a opakovane sa objavovalo v publikáciách ako Annals of Chemistry and Physics. Tieto rekordy definitívne potvrdili prevahu vysokotlakových strojov. Navyše sa zdalo, že do roku 1820 bola väčšina inžinierov presvedčená, že existuje určitá hranica množstva práce, ktorú možno vykonať s daným množstvom tepla.

Tieto údaje, pravé efemeridy, mali tú výhodu, že činnosť rôznych čerpacích strojov sa dala jednoducho a priamo prepočítať na jednotky práce (hmotnosť vody a výška, do ktorej bola zdvihnutá). Sadi Carnot sa ním inšpiroval pri svojich úvahách o základných princípoch tepelných strojov.

Začiatkom 19. storočia sa parný stroj zdokonalil do takej miery, že niektorí ľudia si už uvedomovali hranice jeho zdokonaľovania. Inžinier menom A. R. Bouvier v roku 1816 uviedol, že ďalšie zlepšenia si budú vyžadovať matematiku a fyziku, nielen mechanické zlepšenia.

Škótsky inžinier Ewart vtedy tvrdil, že dané množstvo tepla môže v ideálnom prípade vytvoriť len dané množstvo práce.

Boerhaave si všimol, že systém vytvorený telesami s rôznymi teplotami má tendenciu dosiahnuť tepelnú rovnováhu a že izolované teleso sa nikdy samovoľne nezahreje.

Napokon Joseph Fourier v roku 1817 poukázal na to, že sálavé teplo sa musí riadiť sínusovým zákonom vyžarovania. Jeho dôkaz, že odmietnutie tohto zákona by viedlo k uznaniu možnosti perpetuum mobile, bol pravdepodobne prvým použitím takejto úvahy mimo Galileiho mechaniky. Treba poznamenať, že Sadi Carnot použil rovnakú úvahu v druhej časti Réflexions s vetou o maximálnej účinnosti.

Publikácia

Dielo, ktoré má 118 strán a päť obrázkov, vydal vo vlastnej réžii A-J-E Guiraudet Saint-Amé (X 1811) s uvedením domu Bachelier a vytlačil ho v náklade 600 kusov. Napriek nepopierateľnej jasnosti štýlu je ťažké sledovať sériu jemných úvah, ktoré autor predkladá, pretože sa v texte zámerne zriekol algebrického jazyka a odsunul ho na niekoľko poznámok pod čiarou. Ak autor zamýšľa zaviesť nové pojmy, používa slovník súčasných fyzikov svojej doby: zákon, pohyblivá sila a nepoužíva pojmy cykly, adiabatická alebo vratná premena, aj keď sa odvoláva na pojmy, ktoré označujú. Z obsahového hľadiska je v knihe Sadiho Carnota vhodné rozlíšiť štyri časti, a hoci text neobsahuje žiadne členenie, autor postupuje veľmi asertívne, pričom prechody maskuje krátkymi spojovacími výrazmi v súlade s dobovými rétorickými postupmi.

Teplo a hnacia sila

Prvá časť obsahuje filozofický výklad oblasti, ktorou sa zaoberá veda o teple, z úplne nového uhla pohľadu: teplo ako hnacia sila. Carnot sa vo svojej knihe nezaoberá podstatou tepla, nezaujíma sa o ohrievanie a ochladzovanie rôznych telies, ani o podmienky, za ktorých sa teplo prenáša, ako to robil Joseph Fourier a jeho nasledovníci. Nezaoberal sa ani chemickými a fyziologickými účinkami tepla.

Zaujímalo ho teplo ako príčina veľkých prírodných pohybov, ktoré sa vyskytujú na Zemi, systém vetra, oceánske prúdy…; v tomto ohľade preceňoval jeho význam. Napriek tomu si Sadi Carnot uvedomoval, a zdá sa, že ako prvý vyslovil túto poznámku, že účinnosť najlepších a najvýkonnejších parných strojov je smiešna v porovnaní s obrovskými mechanickými účinkami, ktoré vytvára teplo v prírode.

Sadi Carnot dokáže zaujať filozofický postoj, pričom sa opiera o svoje znalosti fungovania parných strojov, ako aj o svoje odborné znalosti z oblasti meteorológie či geofyziky. Z vtedajších učebníc sa zdá nepravdepodobné, že by to dokázal iný inžinier, ani fyzik: prvý by sa nezaujímal o takéto abstraktné zovšeobecnenie, druhý by sa o hnaciu silu nijako zvlášť nezaujímal. Len lord Rumford o niekoľko rokov skôr, keď si všimol výrazné uvoľňovanie tepla pri vyvŕtavaní zbraní, dospel k záveru, že prácu možno premeniť na teplo a že tieto dva pojmy pochádzajú z rovnakej podstaty.

Táto úvodná časť Úvahy obsahuje základnú myšlienku, že všade tam, kde je rozdiel teplôt, existuje možnosť vzniku hnacej sily, čo je myšlienka, ktorá zohráva ústrednú úlohu v termodynamike. A nemenej dôležitý je aj jeho dôsledok: nie je možné vytvoriť hnaciu silu, ak neexistuje studené a horúce teleso. To možno považovať za prvé vyjadrenie druhého termodynamického zákona, známeho aj ako Carnotov princíp, aj keď je to stále v nepresnej podobe.

Je pravdepodobné, že Sadi Carnot sa v tom čase riadil myšlienkou, že najúčinnejšie hydraulické stroje sú tie, ktoré využívajú najväčší výtlak vody: videl v tom analógiu so všetkými nuansami, ktoré robia rozdiel s prísnou podobnosťou, medzi touto výškou a rozdielom teplôt pre tepelné motory. Ak však štúdia údajov uverejnených v časopise Monthly Engine Reporter o výkone vysokotlakových motorov nepotvrdila túto úvahu, jeho intuícia bola správna.

Ideálny cyklus dokonalého motora

Druhá časť definuje dokonalý motor a jeho ideálny prevádzkový cyklus. Na tento účel si predstavil ideálny stroj, bežne nazývaný Carnotov stroj, ktorý si môže ľahko vymieňať teplo striedavo s horúcim a studeným telesom (obrázok 6). V jeho štúdii je tepelný motor prísne zredukovaný na svoje základné prvky:

Carnot potvrdzuje, že rozdiel teplôt medzi horúcim a studeným telesom, a nie rozdiel tlakov pôsobiacej látky, určuje prácu vykonanú motorom. Zdá sa, že za túto dôležitú myšlienku vďačí svojim priateľom Clémentovi a Desormesovi.

Pre ideálny cyklus platí táto podmienka: látka pôsobiaca vo valci nesmie byť nikdy v kontakte s telesom, ktoré je chladnejšie alebo teplejšie ako ona sama, aby nedochádzalo k zbytočnému toku tepla. Je zaujímavé, že táto podmienka zodpovedá podmienkam, ktoré uviedol jeho otec na určenie maximálnej účinnosti hydraulických strojov.

Všetky zmeny teploty musia byť spôsobené rozpínaním alebo stláčaním pracovnej látky. Pracovná látka, ktorá je spočiatku stlačená na vysoký tlak, sa voľne rozpína: tlačí na piest a odoberá teplo z horúceho telesa, s ktorým je valec v kontakte (obrázok 1). Valec sa potom vzdiali od horúceho telesa a látka sa naďalej adiabaticky rozpína, takže jej teplota klesá, až kým sa nevyrovná teplote studeného telesa (obrázok 2). Táto časť cyklu zodpovedá operácii „expanzie“ stroja Jamesa Watta, ale teraz je to teplota studeného telesa a nie tlak kondenzátora, ktorý označuje koniec expanzie. Potom sa valec dostane do kontaktu so studeným telesom a pracovná látka sa stlačí, pričom sa z nej „vyženie“ teplo (a stláčanie pokračuje tak, že sa pracovná látka adiabaticky ohrieva (obrázok 4). Čistým výsledkom bol len prenos tepla z horúceho telesa na studené teleso a výroba vonkajšej práce; pracovná látka sa vrátila do pôvodného stavu a žiadne teplo sa nestratilo.

Vratnosť Carnotovho cyklu

Sadi Carnot poukazuje na to, že cyklus je presne reverzibilný: motor môže pracovať v opačnom smere a čistým výsledkom bude spotreba práce rovnajúca sa práci, ktorá vznikla pri práci v priamom smere, a prenos rovnakého množstva tepla, ale v tomto prípade zo studeného telesa na horúce teleso. Reverzibilita cyklu je možná, pretože v žiadnom bode cyklu nedochádza k zbytočnému toku tepla. Ak by takýto tok existoval, motor by nebol reverzibilný. Reverzibilný motor je ten, ktorý poskytuje najlepšiu možnú účinnosť, a Carnot dospel k záveru, že para je v dôsledku nemožnosti perpetuum mobile prinajmenšom rovnako uspokojivá ako akákoľvek iná pôsobiaca látka. Keď tvrdil, že je to teoreticky pravda, vtedajší inžinieri to považovali za abstraktné potvrdenie toho, čo sa naučili v praxi.

Aplikácie vo fyzike plynov

V tretej časti Sadi Carnot ukazuje, že skutočnosť, že všetky ideálne tepelné motory majú rovnakú účinnosť bez ohľadu na použitý plyn alebo paru, má zásadný význam pre fyziku plynov. Carnot dokázal, že všetky plyny, ktoré sa rozpínajú alebo stláčajú z jedného tlaku a objemu na iný tlak a objem pri konštantnej teplote, buď absorbujú, alebo uvoľňujú rovnaké množstvo tepla. Dokáže tiež odvodiť vzťahy medzi mernými telami plynov, t. j. merným teplom pri konštantnom tlaku a merným teplom pri konštantnom objeme. V poznámke pod čiarou, ktorú prví komentátori prehliadli, navrhuje, že základom pre absolútnu teplotnú stupnicu by mohla byť účinnosť ideálneho tepelného motora.

Intuícia vzduchového motora

V poslednej časti knihy Sadi Carnot konštatuje, že prevaha vysokotlakových parných strojov je nesporná, pretože využívajú väčší teplotný spád ako nízkotlakové motory. Carnot si uvedomuje, že veľká výhoda vody ako zdroja pary, skutočnosť, že sa veľmi rozširuje vo veľmi malom rozsahu teplôt, umožnila realizáciu raného parného stroja. Prišiel však k pozoruhodnému záveru, že táto výhoda by znížila vhodnosť vody pre tepelný motor budúcnosti. Obrovský nárast tlaku pri veľmi malom zvýšení teploty nad 100 °C totiž takmer znemožňuje prevádzku v celom rozsahu teplôt od spaľovania uhlia až po kondenzáciu studenej vody.

Sadi Carnot preto predpovedal, že po vyriešení rôznych technických problémov týkajúcich sa mazania a spaľovania bude pravdepodobne najúčinnejším motorom vzduchový motor.

Prijatie práce

Práca mala pozitívny ohlas, a to aj v Akadémii vied, ktorej Pierre-Simon Girard, riaditeľ vedeckého časopisu, predstavil Carnotovu prácu na zasadnutí 14. júna 1824 a 26. júla ju doplnil analytickým opisom v ústnej forme svojim kolegom. Je zrejmé, že prezentácia v Akadémii vo forme memoárov by nepochybne pritiahla väčšiu pozornosť vedeckej komunity na prácu Sadiho Carnota a jej prirodzeným pokračovaním by bolo uverejnenie v Recueil des Savants étrangers. Preto ani „veľká francúzska veda“ reprezentovaná Institut de France, ani slávna École Polytechnique na uverejnenie Carnotovej práce skutočne nereagovali, pretože si plne neuvedomovali jej význam. Carnot, ktorý zrejme nemal zmysel pre publicitu, zasa opomenul poslať kópiu do knižníc École des mines a École des ponts et chaussées, čím sa pripravil o vybrané publikum, rovnako ako neposlal recenziu do Annales de chimie et de physique alebo Annales des mines. Okrem toho treba poznamenať, že napriek obmedzenému nákladu sa niektoré nepredané kópie našli v nezmenenom stave.

Po technickej stránke sa o ňom pochvalne vyjadril iba akademik Pierre-Simon Girard. V čase, keď sa objavili Réflexions, inžinieri už zo skúseností vedeli, že para je prinajmenšom rovnako uspokojivá ako akákoľvek iná účinná látka. Keď Carnot tvrdil, že je to teoreticky pravda, považovalo sa to len za abstraktné potvrdenie.

Okrem toho jeho vysvetlenia o vyššej účinnosti vysokotlakových parných strojov vychádzali z údajov uverejnených v časopise Monthly Engine Reporter a z výkonnosti Woolfových motorov pracujúcich s vysokotlakovou expanziou, ktoré vo Francúzsku skonštruoval Humphrey Edwards. Tento výkon bol však pravdepodobne skôr výsledkom súhrnu podrobných vylepšení ako skutočnej termodynamickej výhody. Sadi Carnot preto nemal pravdu, keď sa na podporu svojich základných teórií odvolával na nadradenosť vysokotlakových parných strojov.

S výnimkou Nicolasa Clémenta-Desormesa, ktorý na prednáške 25. januára 1825 odporučil svojim poslucháčom, aby si knihu prečítali, boli fyzici a ďalší vedci nepochybne zmätení základnými úvahami založenými na princípoch parného stroja.

Až v roku 1834 uverejnil Émile Clapeyron v časopise École Polytechnique článok, v ktorom ukázal, ako sa dajú myšlienky Sadiho Carnota vyjadriť matematicky, pričom zdôraznil ich vysvetľujúcu hodnotu, a až po opätovnom vydaní Réflexions od toho istého autora, doplnenom o jeho komentáre, začal Sadi Carnot postupne ovplyvňovať vedeckú komunitu.

Práve vďaka tomu sa William Thomson v roku 1851 dozvedel o Carnotovej práci. Od roku 1850 Thomson a Rudolf Clausius v dlhom rade článkov stanovili princíp zachovania energie (a nie tepla) ako základ termodynamiky. Na uznanie prínosu Rudolfa Clausia dostal Carnotov princíp názov Carnotov-Clausiov princíp. Tento princíp umožňuje určiť maximálnu účinnosť tepelného stroja ako funkciu teplôt jeho horúcich a studených zdrojov, pričom táto účinnosť sa pohybuje od 8 % do 30 % v závislosti od konštrukcie strojov.

Otázkou zostáva, prečo Sadi Carnot v období ôsmich rokov od vydania Réflexions do svojej smrti nič nepublikoval? Hoci je možné predložiť niekoľko vysvetlení, najpravdepodobnejším dôvodom je, že už nemal dôveru vo svoje teórie a nebol schopný vytvoriť novú teóriu tepla. Sadi Carnot čelil v súvislosti s kalóriou jednej z najťažších epistemologických prekážok, ktorá bola blízka Gastonovi Bachelardovi: substancializmu, t. j. monotónnemu vysvetľovaniu fyzikálnych vlastností pomocou látky.

Medzi jeho posmrtnými spismi sa zachoval rukopis s názvom Recherche d’une formule propre à représenter la puissance motrice de la vapeur d’eau, napísaný medzi novembrom 1819 a marcom 1827, ale pravdepodobne až po Reflections. V ňom načrtol prvý zákon termodynamiky a pokúsil sa objasniť súvislosť medzi prácou a teplom. Túto poznámku napokon v roku 1878, teda príliš neskoro na to, aby ovplyvnila vývoj vedy, uverejnil Hippolyte Carnot v zborníku vydanom na počesť svojho brata, do ktorého vložil „Životopisnú poznámku o Sadim Carnotovi“. Na jar 1832 Sadi nepochybne objavil princíp ekvivalencie a v krátkych poznámkach spísal závery dlhého memoáru, ktorý napokon zničil Hippolyte. Tieto poznámky, uverejnené tiež v roku 1878, naznačujú, že v tom čase už opustil teóriu kalórie, ktorá ešte stále pretrvávala v jeho eseji z roku 1824 a o ktorej vyjadril pochybnosti už v Úvahách. Zdá sa, že pripustil, že teplo nie je nič iné ako hnacia sila (dnes by sme povedali energia), a navrhol číselnú hodnotu mechanického ekvivalentu tepla s presnosťou na 2 %, o desať rokov skôr ako Julius Robert von Mayer, a zrejme ju získal s väčšou vedeckou presnosťou.

Na overenie svojich pokrokov načrtol podrobné experimenty, ktoré by sme dnes nazvali konštantnou entalpiou, podobne ako Benjamin Thompson. Na rozdiel od Thompsona však zamýšľal merať vykonanú prácu a vyprodukované teplo, pričom menil použité materiály. V tomto zmysle mal veľkú nádej, že nájde konštantný mechanický ekvivalent tepla, ktorý bude mať rovnakú hodnotu pre všetky experimenty. Plánoval aj merania pomocou plynov a kvapalín na výpočet mechanického ekvivalentu tepla.

Ťažko povedať, či mohol tieto experimenty uspokojivo vykonať. Dejiny termodynamiky sa ešte museli rozbehnúť, kým sa dospelo k tejto teórii, takže ťažkosti, ktoré by musel prekonať, možno len ťažko podceňovať.

Bolo by tiež potrebné presvedčiť najmä veľkú skupinu chemikov a všetkých, ktorí sa zaoberali výskumom elektriny: všetci boli hlboko pripútaní ku kalorickej teórii. Dynamickú teóriu tepla nakoniec sformuloval až James Prescott Joule. Sedem rokov delilo jeho prvú publikáciu (1843) od publikácie Rudolfa Clausia, ktorý zosúladil dynamickú teóriu tepla (Joule) s teóriami Sadiho Carnota.

Nakoniec je nešťastné, ale bohužiaľ pravdepodobné, že Sadi Carnot zomrel v presvedčení, že zlyhal, hoci v skutočnosti len založil rozsiahly a základný vedný odbor so zložitou štruktúrou, termodynamiku, ktorá spája fyziku, chémiu, biológiu a dokonca aj kozmológiu.

Vplyv práce Lazara Carnota na prácu jeho syna

Pre historika vedy vyvstáva niekoľko otázok týkajúcich sa vzťahu medzi prácami týchto dvoch inžinierov:

Dielo syntézy

Podľa D.S.L. Cardwella má kniha Sadiho Carnota, hoci je oveľa menej známa ako Kopernikova kniha De revolutionibus orbium coelestium, porovnateľný význam v dejinách modernej vedy, pretože položila základy úplne novej disciplíny: termodynamiky.

Carnotova práca má však originálny rozmer. Kopernik pracoval v jasne definovanej a uznávanej disciplíne; mohol sa oprieť o dedičstvo úvah a pozorovaní, ktoré sa hromadili dve tisícročia (efemeridy). Na druhej strane Sadi Carnot musel syntetizovať rôzne vedecké a technické disciplíny. Na to musel vybrať údaje, ktoré sa mali skúmať, vytvoriť teórie z pojmov, zákonov a princípov odvodených z vied o teple a mechanike, ktoré boli ešte oddelené, z technológií v plnom rozvoji, ako je para, alebo už viac zavedených, ako je hydraulika, ktoré však tiež ešte neboli prepojené. Okrem toho už v roku 1824 sám videl potrebu tejto novej vedy, a to tak pre jej praktické využitie, ako aj zo zásadnejších dôvodov.

Karnevalová revolúcia

Zo všeobecnejšieho hľadiska práca Sadiho Carnota znamenala začiatok toho, čo Jacques Grinevald nazýva Carnotovou revolúciou, ktorá viedla k prechodu na tepelno-priemyselnú spoločnosť s masívnym využívaním fosílnej energie (uhlia a neskôr ropy). Odvtedy sila ohňa umožnila vznik nového stroja, postaveného na motore, čo predstavovalo rozštiepenie v dejinách nástroja. Umožňuje vylúčiť hnaciu silu človeka, zvieraťa, bežných prírodných živlov, ako sú vietor a voda, a dať tak zmysel starému kolektívnemu zobrazeniu oživených bytostí, od Hefaista až po elektrického ducha Hadalyho. Táto hnacia sila ohňa zároveň naruší odvekú väzbu medzi technológiou a bezprostredným geografickým prostredím, a to vďaka bezprecedentnému rozvoju sietí a tokov a geografickej koncentrácii zariadení, ktorá je možná vďaka delokalizácii tejto sily.

Hodnotenie a následky

Sadi Carnot objavil dva zákony, na ktorých je založená celá veda o energii, napriek prekážkam, ktoré sa zdali neprekonateľné. Výnimočnú silu svojej intuície vyjadril tým, že uviedol svoje zákony v čase, keď bolo faktov málo, ich presnosť bola hrubá a najmä keď pokrok rodiacej sa vedy brzdila chybná teória nezničiteľného kalória.

Intuitívne usúdil, že parný stroj sa podobá starému vodnému mlynu, ktorý vyrába energiu spúšťaním vody z vysokej hladiny na nižšiu, že vyrába energiu spúšťaním tepla z vysokej teploty kotla na nižšiu teplotu kondenzátora. Domnieval sa, že tento rozdiel v teplote je jasným javom, ale samotný pokles tepla je oveľa menej jasný, a vo svojom zákone sa snažil, aby pokles teploty zohrával podstatnú úlohu. Dnes by sme povedali, že tušil, že je rozdiel medzi tepelnou energiou a teplom, ktoré padá ako voda z mlyna. Vieme, že trvalo 40 rokov po jeho knihe, kým definoval entropiu z množstva tepla ako ekvivalent mlynskej vody, a obdivujeme, že sa vyhol tomuto zložitému problému a nakoniec ako prvý odmietol kalorickú teóriu.

Jeho dielo je svojím univerzálnym rozsahom pravdepodobne jedinečné v dejinách modernej vedy a v tomto zmysle bol Nicolas Léonard Sadi Carnot určite jedným z najprenikavejších a najoriginálnejších mysliteľov, akých naša civilizácia vytvorila.

Pre niektorých zostane „meteoritom v dejinách vedy“, výnimočnou postavou, pre ktorú „vytvoriť s listom papiera, ceruzkou a mysľou základ novej vedy je celkom obdivuhodné“. „Smrť veľkých mužov zanecháva toľko ľútosti ako nových nádejí.

V roku 1970 Medzinárodná astronomická únia pomenovala mesačný kráter Carnot po francúzskom fyzikovi a neskôr aj asteroid (12289) Carnot.

Po ňom je pomenovaná Carnotova metóda, postup alokácie exergie na hodnotenie kogeneračných produktov a výpočet fyzikálnej hodnoty tepelného výkonu.

V roku 2006 bola vo Francúzsku vytvorená Carnotova značka, ktorej cieľom je rozvíjať prepojenie medzi verejným výskumom a sociálno-ekonomickými subjektmi v reakcii na ich potreby: toto venovanie vzdáva hold tomu, čo Sadi Carnot priniesol do základnej fyziky skúmaním veľmi aplikovanej otázky.

Externé odkazy

Zdroje

1. Sadi Carnot (physicien)
2. Nicolas Léonard Sadi Carnot
3. Sadi est le seul prénom mentionné pour l’état civil, Nicolas et Léonard étant des prénoms de baptême.
4. Bachelard 1993.
5. 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 ».
6. « Bonaparte et les prénoms », sur www.lhistoire.fr, L’Histoire, novembre 2018 (consulté le 21 mars 2022)
7. a b c d e f g h i j k l m n o p q r s et t D. S. L. Cardwell in LA RECHERCHE en histoire des sciences p. 217-240.
8. ^ (US) M. Hippolyte Carnot, Life of Sadi Carnot , Second revised edition, John Wiley & Sons, 1897
9. ^ (FR) Autori vari, Sadi Carnot et l’essor de la thermodynamique, CNRS Éditions 1 Septembre 1998 ISBN 2-222-01818-8
10. ^ Bachelard, Gaston. The Formation of the Scientific Mind.
11. ^ „Sadi Carnot – Biography“. Maths History. Retrieved 2022-06-02.
12. ^ a b Sadi Carnot et l’essor de la thermodynamique, CNRS Éditions
13. 2,0 2,1 MacTutor History of Mathematics archive. Ανακτήθηκε στις 22  Αυγούστου 2017.
14. Sadi Carnot et l’esor de la thermodynamique, CNRS Éditions
15. 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.
16. Chisholm 1911.