历史上的今天 > 1796年6月1日,热力学之父卡诺诞辰

 

tumblr_np8w2piqfw1tenh4mo1_1280卡诺诞辰(Nicolas Sadi Carnot, 1796-1832)

出生于法国大革命时期的物理学家卡诺只活了短短36个寒暑,他一生只出版了一本著作《论火的动力》,总结他对蒸汽机的思考。他在世时,这本书始终未引起注意,他满腔热血的研究完全没有引起任何回响,就这么孤独的死去。但后来他的著作又被重新发现,而今我们称他为「热力学之父」……。

卡诺是将军之子。他的父亲拉札尔·卡诺(Lazare Carnot)不但在法国大革命扮演要角,还在拿破仑掌权后位居高职。但拉札尔同时也是位杰出的数学家,因此卡诺进入专门培养军中工程师的巴黎综合理工学院,并于1814年毕业后加入军队,应是父亲的有意栽培。无奈第二年拿破仑于滑铁卢战役输掉英法战争后,失去政权,惨遭放逐,拉札尔也因此被放逐至德国,从此无法返国。

1821年,卡诺前往德国探视父亲。拉札尔语重心长地鼓励他研究蒸汽机,因为法国制造的蒸汽机效率远不如英国,若无法加以改进,国力就永远无法与英国匹敌。卡诺返回巴黎后,自此全心研究蒸汽机。

打从瓦特改良的蒸汽机问世后,人们即不断试图改进,但半世纪以来都只能瞎子摸象般地尝试错误,从来不曾探讨其根本的科学原理。这是因为大家对于热、能量、作功这些基本观念都还懵懵懂懂,根本不知该如何描述蒸汽机运作过程中的种种变化。

卡诺的突破在于以理想化的热机模型思考蒸汽引擎的工作原理。他想像汽缸里面的气体经由等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩四个过程不断循环(称为卡诺循环),而带动活塞作功。他证明这样的引擎效率只取决于此过程的高低温温度,与其它因素无关,而且不可能有其它引擎比他这个热机模型效率更高(称为卡诺定理)。

卡诺于1824年出版《论火的动力》详述他的研究心得,但这些学术理论无人闻问,他未能如愿帮助提升法国的蒸汽机技术,即于36岁感染霍乱过世。1848年,英国物理学家开尔文爵士根据卡诺定理引进绝对温标;1850年,德国物理学家克劳修斯根据卡诺的研究发表热力学第一定律与第二定律;1893年,德国发明家狄塞尔(Rudolf Diesel)根据卡诺循环发明柴油引擎。卡诺在世时看似无用的学术理论终究证明了其用大也,而且得到的是国际性的认同。

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