Fødsel |
1 st juni 1796 Paris ( Frankrike ) |
---|---|
Død |
24. august 1832 Paris eller Ivry-sur-Seine ( Frankrike ) |
Hjem | Frankrike |
Nasjonalitet | fransk |
Områder | Fysiker og ingeniør |
Diplom | Polyteknisk universitet |
Kjent for |
Termodynamikk Carnot-syklus Andre prinsipp for termodynamikk |
Nicolas Léonard Sadi Carnot , født den1 st juni 1796i Paris og døde den24. august 1832i Ivry-sur-Seine eller Paris , er en fysiker og ingeniør fransk .
I løpet av sin korte karriere (han døde av kolera i en alder av 36 år) publiserte Sadi Carnot bare en bok (som Copernicus ): Refleksjoner om drivkraften til ild og om maskinene som var egnet for å utvikle denne makten , i 1824, der han uttrykte i en alder av 27 år det som viste seg å være hans livsverk og en viktig bok i fysikkens historie.
I dette arbeidet la han grunnlaget for en helt ny disiplin, termodynamikk . På den tiden eksisterte dessuten ikke begrepet, det er William Thomson som oppfant midten av XIX - tallet . Imidlertid var det Sadi Carnot, til tross for uklarheten i noen av hans konsepter (hans aksept av teorien om kalori og aksiomet for bevaring av varme ), som oppdaget denne vitenskapen så grunnleggende fra et teoretisk synspunkt at fruktbar i praktiske anvendelser. .
Sadi Carnot formulerte den begrunnede presentasjonen av varmemotoren og de grunnleggende prinsippene for at ethvert kraftverk, hvilken som helst bil , hvilken som helst jetmotor er designet i dag. Mer bemerkelsesverdig, denne opprinnelsen fant sted da ingen forgjenger ennå hadde definert arten og omfanget av emnet. Basert på rent tekniske bekymringer, som å forbedre dampmotorens ytelse , er Sadi Carnots intellektuelle utvikling original og varsler viktig utvikling som fant sted på dette sentrale tidspunktet for moderne vitenskap.
Eldste sønn av Lazare Carnot (1753-1823), kjent som "Grand Carnot" eller "arrangøren av seieren", Sadi Carnot ble født i Paris, i Palais du Petit-Luxembourg , hvor faren, en av de fem direktørledere i republikken , har sine offisielle leiligheter. Hans fornavn kommer fra navnet til den persiske dikteren Saadi fra Shiraz , mye beundret av faren.
På tidspunktet for Sadis fødsel var Lazare Carnot på høyden av karrieren. Matematiker og ingeniør , elev av Gaspard Monge , forfatter av et essay om maskiner generelt (1783), er Lazare Carnot også en soldat, leder for menn og revolusjonerende. Han ble valgt til den konstituerende forsamlingen i 1789 og deretter til konvensjonen , og stemte for kong Louis XVIs død . Under krigene under den franske revolusjonen , innenfor komiteen for offentlig sikkerhet , fikk han kallenavnet "arrangør av seieren". Etter å ha vært medlem av katalogen , var han krigsminister under Napoleon Bonaparte i seks måneder i 1800 og deretter innenriksminister under hundre dager i 1815. I oktober samme år, etter Napoleons nederlag, blir han eksilert som en mord. Han bodde i Belgia , deretter i Polen og Tyskland , hvor han døde, uten å komme tilbake til Frankrike .
Moren hans, Sophie Dupont (1764-1813), kommer fra en velstående familie i Saint-Omer .
Sadi Carnot har en yngre bror, Hippolyte Carnot (1801-1888), som vil lede en politisk karriere: stedfortreder fra 1839 til 1848, undervisningsminister i 1848, han vil nekte å støtte det andre imperiet og vil igjen bli en stedfortreder under Den tredje republikken blir deretter valgt til uopprettelig senator i 1875 samt medlem av akademiet for moral- og statsvitenskap i 1887. Sadi Carnot er onkelen til Marie François Sadi Carnot (også ofte kalt Sadi Carnot), valgt til president for Den franske republikk i 1887 og drept i 1894 av anarkisten Sante Geronimo Caserio .
Han vil aldri ha giftet seg og vil ikke ha hatt etterkommere.
Etter statskuppet av4. september 1797, Lazare Carnot måtte emigrere, en situasjon som varte til Januar 1800, når han blir benådet av Bonaparte; i denne perioden bor Sadi Carnot sammen med moren i familiehjemmet til Saint-Omer. IAugust 1807, Lazare Carnot, kom tilbake til privatlivet ved avskaffelsen av Tribunatet , bestemmer seg for å ta seg av utdannelsen til sine to sønner selv og lære dem matematikk, naturfag, språk og musikk.
I 1811 gikk Sadi Carnot inn i Lycée Charlemagne , i forberedelsesklassen til Pierre-Louis Marie Bourdon , for å forberede seg på den konkurransedyktige undersøkelsen av École polytechnique . Etter å ha nådd1 st juni 1812minimumsalderen på 16 år , kan Sadi Carnot i august etterpå delta i konkurransen, der han mottok 24 e av 179 og ble innlemmet i andre divisjon2. november.
I 1812-1813 fungerte domstolene normalt til tross for tilbakeslag fra de keiserlige hærene. Lærerne hans heter Reynaud for analyse, Poisson for mekanikk, Hachette for deskriptiv geometri, Louis Jacques Thénard for generell og anvendt kjemi, Jean Henri Hassenfratz for fysikk og François Arago for uendelig liten kalkulator og teorien om maskiner. I løpet av dette første året hadde han også som veileder menn som Alexis Petit for fysikk eller Pierre Louis Dulong for kjemi hvis arbeid han senere brukte. Det virker til og med at man tenkte å få det til å passere umiddelbart i artilleridelen på School of Metz iOktober 1813, men at han til slutt ble ansett for ung.
Det andre året skulle vise seg å være mindre fruktbart når det gjaldt undervisning. SluttJanuar 1814integrasjonen av studenter i tre selskaper av nasjonalgardens artilleri-organ for å gradvis avbryte utdanningen. De 29 og30. mars 1814, Sadi Carnot, som var en av de seks korporalene i selskapet, kjemper med bataljonen for polyteknikk og kommer under skudd under en trefning uten tyngdekraft, i forsvaret av fortet Vincennes mot de allierte; det var sannsynligvis hans eneste kampopplevelse. Klassene gjenopptas18. april men Sadi kom ikke tilbake før 12. mai. De12. oktober 1814Han ble erklært kvalifisert i verktøy, 10 e av den generelle listen over 65 studenter som forble i klassen hans. Han var rangert 5 th i den spesielle liste over ti studenter tatt opp i militære ingeniørstudenter som sekondløytnant i School of Påføring av artilleri og Engineering av Metz . Dermed ender en nøkkelperiode i opplæringen, som han refererte til da han publiserte Reflections ved å signere sitt arbeid " Sadi Carnot, tidligere student ved Polyteknisk skole ".
Sadi Carnot mottok sitt kadetbevis for ingeniør 1 st oktober 1814og kom inn på Metz-skolen de siste dagene i 1814 på slutten av en avslapningspermisjon. Han fulgte i denne prestisjetunge bruksskolen , arving til Royal School of Engineering i Mézières , kursene i anvendt matematikk og fysikk til François-Marie Dubuat og Jacques Frédéric Français , de innen kjemi gjaldt militærkunsten og pyroteknikken fra Chevreuse. Hans sertifikat av fenrik i 2 nd Sappør regiment, merking sin exit fra skolen, og hans virkelige inntreden i det militære karriere, er datert2. april 1817. I følge tradisjonen drar han straks fordel av en tre måneders permisjon som han forlenger til15. oktober 1817og som han utvilsomt tilbrakte mesteparten av i familiens hjem til Nolay sammen med sin onkel, generalløytnanten til ingeniørene, Carnot de Feulins .
Da freden kom i 1815, fant han seg tvunget inn i garnisonens rutinemessige eksistens , med få muligheter. Som sønn av en landflyktig republikansk leder ble han ansett som usikker, så det ble lagt til rette for å holde vaktstasjonen borte fra Paris.
Sadi Carnot ble overført regelmessig, han inspiserer befestninger , tegner planer og skriver en rekke rapporter. Men anbefalingene hans ble tilsynelatende ignorert; karrieren hans var i stagnasjon.
Rekkefølgen av 6. mai 1818bærer dannelse av et kongelig stabsorgan og en søknadsskole for tjeneste for generalstaben i hæren. De15. september 1818 Sadi Carnot får seks måneders permisjon for å forberede seg på opptaksprøven til Paris.
Etter ordre fra 20. januar 1819, han blir tatt opp i Paris hovedkvarter, med rang av løytnant og plassert på tilgjengelighet, mottar han to tredjedeler av bruttolønnen som vitenskapelig arbeider. Sadi Carnot bodde i nærheten av sin onkel Joseph i en liten leilighet i det populære Marais-distriktet som han okkuperte fram til midten av 1831, men tok kurs ved Sorbonne og College de France, men ikke ved École des mines , som han trengte autorisasjon for. fra den høyere administrasjonen, som han aldri ba om, og hvor han kunne ha møtt den unge Émile Clapeyron . Han er student ved National Conservatory of Arts and Crafts hvor Clément-Desormes gir et kurs i kjemi anvendt på kunsten og Jean-Baptiste Say et kurs i industriell økonomi. Han besøker også Jardin des Plantes og King's Library, samt Louvre og det italienske teatret i Paris . Sadi Carnot er interessert i industrielle problemer, besøker verksteder og fabrikker, studerer gassteori og de nyeste teoriene om politisk økonomi . Han legger ut detaljerte forslag til vanlige problemer som skatter, men han brenner for matematikk og kunst .
Medlemmene av kretsen han besøker er av radikale og republikanske tendenser, og hans nærmeste venner er Nicholas Clément og Charles Desormes , forskere og industrielle kjemikere, forfattere av et " Memoir on the theory of fire machines " og de eneste fysikerne som han egentlig har tok kontakt før du skrev refleksjonene .
I løpet av sommeren 1820 Sadi så sin bror Hippolyte igjen, som hadde kommet for å tilbringe noen dager i Frankrike, og som bodde sammen med sin far. De23. juni 1821krigsdepartementet gir ham ulønnet permisjon slik at han kan besøke sin far i eksil i Magdeburg . Det var der han sammen med faren begynte å interessere seg for dampmaskiner , siden det var i Magdeburg tre år tidligere at den første maskinen ble bygget. Så snart han kom tilbake til Paris , begynte han å reflektere over hva som ble av termodynamikk . Hans første store verk dateres fra årene 1822 - 1823 . Da faren hans døde,August 1823, kom broren Hippolyte tilbake til Paris og hjalp ham med å skrive sine skrifter "for å sikre at de ville bli forstått av mennesker som var dedikert til andre studier" . Siden løslatelsen har Sadi holdt seg unna politiske strømmer som tiltrekker seg liberal ungdom, han virker ikke tiltrukket verken av organiserte vitenskapelige grupper som Philomathic Society of Paris hvis medlemmer nærer ambisjonen om å '' få tilgang til vitenskapsakademiet . Imidlertid deltar han i et polyteknisk - industrielt møte der det ser ut til at han holdt en presentasjon om en formel som er egnet for å representere drivkraften til vanndamp.
I Oktober 1824, vokser løytnanten av personalet opp i Sadi som utfører topografisk arbeid på veien fra Coulommiers til Couilly-Pont-aux-Dames . I 1825 utførte han lignende arbeider på veien fra Villeparisis til Gournay-sur-Marne- fergen . De10. desember 1826 er undertegnet forordningen om organisering av det kongelige stabskorpset og 31. desemberSadi er løsrevet etter 7 th infanteriregiment stasjonert på Thionville . "Engasjert i interessefirmaer som jeg ikke plutselig kunne gi opp uten veldig store tap for meg" , får Sadi en tre måneders permisjon på halv lønn. De6. mars 1827, gjentar han sin forespørsel, og hevder sin manglende evne til tjeneste i infanteriet og får sin gjeninnsetting i ingeniørene fra og med 25. mars 1827 og hans fortsatte permisjon, denne gangen uten lønn, til 15. september 1827. Etter en omorganisering av personalet ble han sendt til Auxonne, som var et tidligere høyborg i Côte-d'Or . De27. september 1827han forfremmes til rang av andre maskinistkaptein .
De 21. april 1828, Foreslår Sadi at han trekker seg fra hæren "for ledelsen av mine personlige anliggender og spesielt for at jeg skal være oppmerksom på en søksmål som jeg er interessert i [og som] jeg langt fra oppfatter begrepet [...] å se meg selv av min posisjon ute av stand til å utøve mine fungerer i dag uten at det jeg har” . De19. mai 1828den Ministry of War aksepterer sin avgang: siden forlate Metz School, har Sadi Carnot knapt ferdig femten måneders aktiv militærtjeneste, inkludert topografiske undersøkelser. Når det gjelder søksmålet han ser ut til å være involvert i, er det vanskelig å vite mer selv om adresseboken hans nevner navnet Giraudeau, som drev en prosessvirksomhet i rue Sainte-Anne. Selv om Sadi ikke har oppnådd halvlønnsstatus, kan han nå flytte til Paris og vie seg til et liv med studier og personlig forskning.
Morfaren Dupont, gudfar til Sadi, hadde etterlatt seg ved sin død i 1807 nesten en million gullfranc, hvorav Lazare Carnot hadde mottatt en tredjedel. Sadis andel av arv gjør at han kan lede den stille eksistensen av en beskjeden livrenter, men dette livet uten iver og dynamikk er utvilsomt gjort nødvendig av en dårlig helsetilstand. På spørsmål om yrket sitt av bibliotekaren Ambroise Fourcy for sin historie om polyteknisk skole , erklærer Sadi Carnot seg "byggmester av dampmaskiner" . Imidlertid vises navnet hans ikke i noen liste over produsenter som den som hvert år blir publisert i Almanach Bottin . Trodde han å omfavne dette yrket, spilte han en rådgivende ingeniørrolle, hadde han lånt penger til en produsent, eller er dette bare en spøk? Det skal også bemerkes at Sadi Carnot aldri søkte om noe patent, og at han ikke søkte en stol eller en sensorstilling ved Central School of Arts and Manufactures opprettet i 1829 og ansvarlig for opplæring av ingeniører for privat industri. De17. august 1830 Polytechnic Association ble opprettet som samlet tidligere studenter på skolen og som Sadi Carnot umiddelbart ble med på.
Rekkefølgen av 10. februar 1831gir for etablering av selskap i gunners i hvert distrikt og " på slutten av smålig irritasjonsmomenter til meget ubetydelig mulighet " Sadi er tillatt i 8 th artilleri selskap med høyst NCO rang av fysisk eller.
I august 1831 oppfordret Pierre Louis Dulong publikasjonen av to memoarer ham til å gjenoppta arbeidet med gassers fysiske egenskaper . Samme år hadde han et anfall av scarlet feber og ble alvorlig syk, med anfall av delirium i noen tid. IApril 1832, rapporterer Revue-leksikonet om Baron Bleins arbeid i en artikkel signert SC, sannsynligvis Sadi Carnot. Portrettet som kunstneren Despoix tegner av Sadi på den tiden viser ansiktet til en sliten mann, med bekymrede øyne, hvis mentale balanse ikke lenger virker trygg.
Hans helsetilstand hindrer ham i å komme til Polytechnic Association of 20. juni 1832og Hippolyte bemerker i sin bibliografiske opptegnelse at “den overdrevne anvendelsen som han unnet seg, gjorde ham syk mot slutten avJuni 1832 " . De3. augusthan ble innlagt på sykehjemmet til alienistlegen Jean-Étienne Esquirol , som ligger i Rue de Seine (i dag Rue Lénine ), hvor han diagnostiserte mani, det vil si generalisert delirium med spenning. Kort tid etterpå, register over sykehjemmet i Ivry indikerer "kurert for sin mani, døde på24. august 1832kolera ” . Døden ble erklært samme dag på rådhuset i Ivry av sykehjemmets kurator og tilsynelatende for å unngå en hentydning til det, som om han hadde mottatt instruksjoner fra Hippolyte. Sistnevnte var også rapportere dødsfallet til rådhuset av 12 th distriktet. Sivile begravelser feires under forhold nær anonymitet. Han er gravlagt på den gamle kirkegården i Ivry-sur-Seine . Etter hans død ble hans personlige eiendeler (inkludert arkivene hans) brent for å forhindre spredning av sykdommen.
For å forstå boken til Sadi Carnot og sette pris på originaliteten til arbeidet, er det nødvendig å avklare situasjonen for vitenskap og teknologi i området som ble vurdert i løpet av det andre tiåret av XIX - tallet .
Varmevitenskap, mellom kjemi og meteorologiDa den unge Sadi Carnot kom inn i École Polytechnique , var den eneste veletablerte vitenskapen, basert på matematikk , mekanikk . Den kjemien , er elektrisitet , den magnetisme , den varmen gjort rask fremgang, men hadde ikke nådd det stadiet av matematisk abstraksjon.
Vitenskapen av varmen ble gjort mulig ved hjelp av oppfinnelsen av termometeret i det XVII th århundre (inkludert som Santorio ), men forble en bekymring for kjemikere og leger . De hadde avgitt aksiomet for bevaring av varme som de så oppfattet som et stoff : "kalorien".
Arbeidet til Benjamin Thompson (Lord Rumford), Pierre-Simon de Laplace , Jean-Baptiste Biot , Siméon Denis Poisson og Joseph Fourier gjorde det mulig for matematikere og fysikere å interessere seg for varme i sin tur, særlig studier om varmeoverføring .
Samtidig fikk meteorologer en bedre forståelse av rollen som varme i systemet med vind eller havstrømmer , noe som ble betraktet som verdens store drivkraft . Den varmende og adiabatisk avkjøling av luften ble spesielt anvendt for å forklare feltobservasjoner som stabiliteten av snø felt ved ekvator .
Utvikling av dampmaskinen i XVIII th århundre Encylindrede maskinerDe første dampmaskiner med praktisk anvendelse hadde dukket opp ved begynnelsen av XVIII th århundre og drives på følgende måte: den damp ble anvendt for å drive luft ut av en sylinder , hvoretter den ble avkjølt, slik at damp kondenserer og de ytre atmosfæriske trykk årsaker stempelet for å stige ned . Dampen fikk deretter fylle sylinderen igjen og syklusen ble gjentatt (se maskin av Thomas Newcomen ). Disse maskinene fungerte sakte og uregelmessig, men var godt egnet til å pumpe vann fra gruver . I denne sammenheng var vann det mest egnede arbeidsstoffet, spesielt siden det utvides til omtrent 1800 ganger dets opprinnelige volum når det blir til damp.
Kondensator og høyt trykk eller søket etter optimal effektivitetPå 1760-tallet kondenserte James Watt dampen i en separat kaldsylinder, eller kondensator , mens hovedsylinderen til enhver tid ble holdt varm for å eliminere sløsingen med varmen som er forbundet med den frem og tilbake kjøling av sylinderen . I tillegg brukte han varm damp for å senke stempelet i sylinderen, noe som ytterligere reduserte varmetapet. Watt observerte at det kunne oppnås en betydelig besparelse hvis tilførselen av damp ble slått av før stempelet hadde beveget seg inn i sylinderen: den fangede dampen ville fortsette å senke stempelet med noe avtagende trykk. Når dampen passerte gjennom kondensatoren , ville den fremdeles ha litt "elastisitet" (av trykk): vi snakket da om handling ved ekspansjon . Videre trodde James Watt aldri på høytrykksmaskiner som han anså for farlige for daglig bruk; dens innflytelse var slik at denne typen maskiner egentlig ikke utviklet seg før etter at den forsvant.
I 1805 , en ingeniør fra Cornwall , Arthur Woolf patentert høytrykksforbindelsen motor ved hjelp av to på hverandre følgende sylindre ( dobbel forbindelse ) for å oppnå den fullstendige ekspansjonen av damp : dette prinsipp har den fordel at den reduserer amplituden for oppvarming og kjøling kjøling av hver. av sylindrene og dermed for å spare drivstoff for å oppnå ytelse. Jacob Perkins , amerikansk ingeniør viste at det var mulig å bygge en dampmaskin som arbeider ved trykk nær 35 atmosfærer . Sadi Carnot satte pris på dette arbeidet, men påpekte at denne motoren hadde den feilen at den ikke brukte prinsippet om utvidelse av James Watt riktig.
Månedlig motorreporter eller flyktning av Sadi CarnotCarnot var, som sine samtidige, sterkt imponert over Englands industrielle overlegenhet over Frankrike, en kraft han tilskrev omfattende bruk av dampmotoren. Fra 1811 til 1840 ble kunsten å pumpe vann fra Cornish- gruvene rapportert regelmessig i Monthly Engine-reporteren utgitt av Thomas og John Lean og tatt opp av publikasjoner som Annals of Chemistry and Physics . Disse postene etablerte med sikkerhet overlegenheten til høytrykksmaskiner. Dessuten virket de fleste ingeniører allerede i 1820 overbevist om at det var en klar grense for hvor mye arbeid som kunne oppnås med en gitt mengde varme.
Disse data, virkelige ephemeris , hadde fordelen av å oversette virkningen av de forskjellige pumpemaskiner på en enkel og direkte måte inn i arbeidsenheter (vekt av vann og høyde ved hvilken den ble løftet). Sadi Carnot ble inspirert av det i sin refleksjon over de grunnleggende prinsippene for termiske maskiner.
Mot en teknisk blokkering i utviklingen av dampmotorenPå begynnelsen av XIX E- tallet gjennomgikk dampmotoren slike forbedringer at noen allerede oppfatter grensene for forbedringen. En ingeniør ved navn AR Bouvier hadde hevdet i 1816 at for å oppnå ytterligere forbedringer ville det være nødvendig å ty til matematikk og fysikk og ikke bare til mekaniske forbedringer.
På den tiden hadde den skotske ingeniøren Ewart hevdet at en gitt mengde varme ideelt sett bare kunne produsere en gitt mengde arbeid.
Boerhaave hadde lagt merke til at systemet dannet av legemer som hadde forskjellige temperaturer, hadde en tendens til å oppnå termisk likevekt, og at en isolert kropp aldri ble sett til å varme seg opp spontant.
Til slutt hadde Joseph Fourier påpekt i 1817 at strålingsvarme måtte overholde en sinusformet lov om utslipp. Hans demonstrasjon om at avslag på denne loven ville føre til å innrømme muligheten for evig bevegelse, var sannsynligvis den første bruken av en resonnement av denne typen utenfor den galileiske mekanikken . Det skal bemerkes at Sadi Carnot brukte samme resonnement i andre del av Reflections med teoremet om maksimal avkastning.
Verket, som har 118 sider og fem figurer, ble utgitt på forfatterens vegne av AJE Guiraudet Saint-Amé (X 1811) med omtale av Bachelier-huset og trykket i 600 eksemplarer . Til tross for stilens ubestridelige klarhet, er den vanskelige resonnementet som presenteres av forfatteren vanskelig å følge fordi han bevisst har fraskrevet seg algebraisk språk i teksten , som han har henvist til noen få fotnoter. Hvis forfatteren har til hensikt å introdusere nye forestillinger, bruker han vokabularet til samtidens fysikere i sin tid: lov , bevegelighet og bruker ikke begrepene sykluser , adiabatisk eller reversibel transformasjon selv om han påkaller begrepene de betegner. I utgangspunktet er det praktisk å skille fire deler i Sadi Carnot bok, og hvis teksten ikke inneholder noen divisjon, følger forfatteren en veldig selvsikker plan, mens de skjuler sine overganger ved korte knytte setninger, i henhold til bruk av retorikk av tiden .
Den første delen inneholder en filosofisk redegjørelse for feltet som dekkes av vitenskapen om varme, sett fra et helt nytt synspunkt: varme som drivmiddel . I sin bok behandler ikke Carnot varmenes natur; Han er heller ikke interessert i oppvarming og avkjøling av forskjellige kropper, og heller ikke i forholdene under hvilke varme overføres, slik som Joseph Fourier og hans disipler. Han bryr seg heller ikke om de kjemiske og fysiologiske effektene av varme.
Han er interessert i varme som årsak til de store naturlige bevegelsene som oppstår på jorden, systemet med vind , havstrømmer …; i denne forbindelse overdriver det dessuten betydningen. Likevel er Sadi Carnot klar over, og ser ut til å ha vært den første til å gjøre dette, at effektiviteten til de beste og kraftigste dampmotorene er dårlig sammenlignet med de enorme mekaniske effektene som produseres av varme i den naturlige verden.
Sadi Carnot er i stand til å innta et filosofisk synspunkt ved å bruke både sin kunnskap om driften av dampmotorer og sine ferdigheter innen meteorologi eller geofysikk . Med tanke på datidens lærebøker virker det lite sannsynlig at en annen ingeniør kunne ha tatt dette trinnet, og heller ikke en fysiker : den første ville ikke ha vært interessert i en slik abstrakt generalisering mens den andre ikke ville ha spesielt interessert i motivkraft . Bare Lord Rumford , noen år tidligere, bemerket en betydelig frigjøring av varme når kjedelige våpen, konkluderte med at arbeid kan konverteres til varme, og at disse to konseptene går fra samme essens.
Denne foreløpige delen av refleksjonene inneholder den grunnleggende ideen om at uansett hvor det er forskjell i temperatur, er det muligheten for å generere motivkraft , en idé som spiller en sentral rolle i termodynamikken. Og dens følge er ikke mindre viktig: det er umulig å produsere motivkraft med mindre du har både en kald kropp og en varm kropp . Dette kan betraktes som den første uttalelsen til den andre loven om termodynamikk, også kalt Carnots prinsipp, selv om den fremdeles tar en upresis form.
Det er sannsynlig at Sadi Carnot på dette tidspunktet ble ledet av ideen om at de mest effektive hydrauliske maskinene var de som benyttet seg av den største høyden av fossen: han så i dette en analogi, sammen med alle nyanser som gjør forskjellen med en streng likhet, mellom denne høyden og temperaturforskjellen for varmemotorer. Imidlertid, hvis studien av data publisert i Monthly Engine Reporter om ytelsen til høytrykksmotorer ikke støttet dette resonnementet, var hans intuisjon riktig.
Den andre delen definerer en perfekt motor og dens ideelle driftssyklus . For å gjøre dette forestiller han seg en ideell maskin , ofte kalt Carnots maskin , som lett kan bytte varme vekselvis med en varm kropp og en kald kropp ( figur 6 ). I studien er varmemotoren strengt redusert til sine essensielle elementer:
Carnot bekrefter at det er temperaturforskjellen mellom det varme legemet og det kalde legemet, og ikke trykkdifferansen som det aktive stoffet gjennomgår, som bestemmer motorens arbeid. Det ser ut til at han skylder denne viktige ideen til vennene Clément og Desormes .
Den ideelle syklusen er underlagt denne tilstanden: stoffet som virker i sylinderen skal aldri være i kontakt med en kropp som er kaldere eller varmere enn den, slik at det ikke blir unødvendig varmestrøm. Det er interessant å merke seg at denne tilstanden tilsvarer de som faren hadde uttalt for å bestemme maksimal effektivitet for hydrauliske maskiner.
Alle temperaturendringer må skyldes utvidelse eller kompresjon av det aktive stoffet. Opprinnelig komprimert ved høyt trykk utvides det aktive stoffet fritt: det skyver stempelet og trekker ut varme fra det varme legemet som sylinderen er i kontakt med ( figur 1 ). Sylinderen flyttes deretter bort fra det varme legemet, og stoffet fortsetter å utvide seg adiabatisk, slik at temperaturen synker til den er lik den for det kalde legemet ( figur 2 ). Denne delen av syklusen tilsvarer operasjonen " ved utvidelse " av maskinen til James Watt ; men det er nå temperaturen i det kalde legemet og ikke kondensatorens trykk som markerer slutten på utvidelsen. Sylinderen bringes deretter i kontakt med det kalde legemet, og det aktive stoffet komprimeres, varmen blir "utvist" ( figur 3 ). Sylinderen er endelig skilt fra den kalde kroppen; og komprimeringen fortsetter slik at det aktive stoffet oppvarmes adiabatisk ( figur 4 ). Syklusen avsluttes når det aktive stoffet bringes tilbake til opprinnelig trykk, volum og temperatur ( figur 5 ).
Nettoresultatet var bare overføring av varme fra den varme kroppen til den kalde kroppen og produksjonen av eksternt arbeid; det aktive stoffet kom tilbake til sin opprinnelige tilstand, og det var ikke sløsing med varme.
Figur 1 :
Isoterm ekspansjon i kontakt med den varme kilden ved temperatur T1
Figur 2 :
Adiabatisk utvidelse og senking ved temperatur T2
Figur 3 :
Isoterm kompresjon i kontakt med den kalde kilden ved temperatur T2
Figur 4 :
Adiabatisk kompresjon og temperaturøkning T1
Figur 5 :
Isoterm ekspansjon i kontakt med den varme kilden og gå tilbake til utgangsposisjonen i figur 1
Figur 6 :
Prinsipp for Carnots maskin
Sadi Carnot påpeker at syklusen er nøyaktig reversibel: motoren kan kjøres i motsatt retning, og nettoresultatet vil da være forbruk av arbeid som tilsvarer det som produseres av operasjonen i fremoverretning og overføring av samme mengde varme., men i dette tilfellet fra den kalde kroppen til den varme kroppen. Syklusens reversibilitet er mulig fordi det ikke er unødvendig varmestrøm på noe tidspunkt i syklusen. Hvis det var en slik flyt, ville ikke motoren være reversibel. Nå er den reversible motoren den som gir best mulig effektivitet, og Carnot konkluderer, som en konsekvens av umuligheten av evig bevegelse , at dampen er minst like tilfredsstillende som alle andre aktive stoffer. Da han sa at det var teoretisk basert, så ingeniører på den tiden det bare som en abstrakt bekreftelse på det de hadde lært i praksis.
I den tredje delen viser Sadi Carnot at det faktum at alle ideelle varmemotorer har samme effektivitet, uansett gass eller damp man bruker, har grunnleggende implikasjoner for gassfysikk. Carnot demonstrerer at alle gasser som ekspanderer eller som komprimeres fra ett trykk og fra ett volum til et annet trykk og til et annet volum ved konstant temperatur, absorberer eller til og med avgir samme mengde varme. Det kan også utlede forholdet mellom de spesifikke gassvarmerne , det vil si den spesifikke varmen ved konstant trykk og den spesifikke varmen ved konstant volum . I en fotnote, som ble oversett av tidlige kommentatorer, antyder han at effektiviteten til en ideell varmemotor kan tjene som grunnlag for en absolutt temperaturskala .
I den siste delen av boka finner Sadi Carnot at overlegenhet med høytrykksdampmaskiner er ubestridelig fordi de bruker et større temperaturfall enn lavtrykksmotorer. Carnot erkjenner at den store fordelen med vann som en kilde til damp, det faktum at det utvides enormt i et veldig lite temperaturområde, nettopp muliggjorde realiseringen av den primitive dampmotoren . Likevel kom han til den bemerkelsesverdige konklusjonen at denne fordelen ville gjøre vannet mindre egnet for fremtidens varmemotor . Faktisk gjør den enorme økningen i trykk for svært lave temperaturer over 100 ° C det nesten umulig å operere over hele temperaturområdet, fra forbrenningen av kull til kondensasjonen av kald vann .
Som et resultat forutsier Sadi Carnot at når ulike tekniske problemer angående smøring og forbrenning er løst, er det sannsynlig at luftmotoren vil være den beste motoren .
Arbeidet mottok en hederlig mottakelse, blant annet ved Academy of Sciences som Pierre-Simon Girard , direktør for et vitenskapelig tidsskrift, presenterte Carnots arbeid på møtet med14. juni 1824, supplert med en sammendragsrapport, i muntlig form, til sine kolleger datert 26. juli 1824. Det er åpenbart at en presentasjon til akademiet i form av en avhandling utvilsomt ville ha gjort det mulig å få mer oppmerksomhet fra det vitenskapelige samfunnet til arbeidet til Sadi Carnot, med som et normalt resultat en publikasjon i Recueil des Savants utlendinger . Dermed reagerte verken den franske "store vitenskapen" representert av Institut de France eller den berømte polytekniske skolen på publiseringen av Carnots verk, i mangel av å innse dens betydning helt. For sin del utelatt Sadi, som ikke så ut til å ha sansen for publisitet, å sende en kopi til biblioteket til École des Mines og École des Ponts et Chaussées , og fratok dermed et publikum valg, akkurat som han adresserte dem ikke for gjennomgang til Annales de Chimie et de Physique eller til Annales des Mines . I tillegg skal det bemerkes at til tross for en begrenset utgave, ble noen usolgte gjenstander funnet uskårne.
Når det gjelder ingeniørene, var det bare akademikeren Pierre-Simon Girard som ga en lysende rapport. På tidspunktet for refleksjoner hadde ingeniører allerede lært av erfaring at damp var minst like god som noe annet arbeidsstoff. Da Carnot bekreftet at dette ble grunnlagt i teorien, så vi bare en abstrakt bekreftelse.
I tillegg var forklaringene han ga for den overlegne ytelsen til høytrykksdampmotorer, basert på data publisert i Monthly Engine Reporter og på ytelsen til Woolf-motorer, som opererer ved ekspansjon ved høyt trykk, og som ble bygget i Frankrike. Av Humphrey Edwards . Imidlertid var disse forestillingene utvilsomt mer relatert til en sum detaljforbedring enn til en reell termodynamisk fordel. Det er derfor ikke riktig at Sadi Carnot påkalte overlegenhet av høytrykksdampmaskiner for å støtte sine grunnleggende teorier.
Med unntak av Nicolas Clément-Desormes som, som vist på en konferanse gitt den25. januar 1825, anbefaler lytterne sine å lese boka, fysikere og andre forskere var i mellomtiden utvilsomt forvirret av grunnleggende resonnement basert på prinsippene til dampmotoren.
Det var ikke før i 1834 at Émile Clapeyron publiserte en artikkel i tidsskriftet École polytechnique som viste hvordan ideene til Sadi Carnot kunne uttrykkes matematisk mens de understreket deres forklarende verdi, og det var bare med omutgivelsen av Reflexions av samme forfatter, supplert med sine kommentarer, at Sadi Carnot gradvis begynte å påvirke det vitenskapelige organet.
Det var gjennom dette at William Thomson fikk vite om Carnots arbeid i 1851. I en lang serie artikler la Thomson og Rudolf Clausius , allerede i 1850, prinsippet om bevaring av energi (og ikke lenger for kalori) som det grunnleggende grunnlaget for termodynamikken . For å anerkjenne bidraget til Rudolf Clausius, tok prinsippet om Carnot navnet prinsippet om Carnot-Clausius . Dette prinsippet gjør det mulig å bestemme den maksimale virkningsgraden til en termisk maskin som en funksjon av temperaturene til den varme kilden og dens kalde kilde, effektiviteten som varierer mellom 8% og 30% avhengig av maskinens design.
Elementer av kronologi knyttet til refleksjonens innvirkning på det franske vitenskapelige samfunnetIngen omtale av refleksjoner eller bruk av ideene hans | Nevn av refleksjoner | Utvikling av refleksjon ideer |
---|---|---|
1826 Charles Dupin , geometri og mekanikk kunst og håndverk og kunstfag - normale , T.3, la Dynamie 1826-1827 Først nyutgivelse av Navier løpet av 1819-1820 ved National School of broer og veier 1827 Adolphe Fourier, vann damp mekanisk kraft på Memory 1827-1828 Poncelet , industrimekanikere kurs i 1828 Hachette , elementære avhandling maskiner , 4 th edition 1829-1830 Second reissue selvfølgelig Navier 1830 Poncelet , industrimekanikere kurs Grouvelle og Jaunez, dampmaskin driver og eier guide 1830 1831 Kurs Coriolis til den nasjonale skolen for broer og veier 1836 desember Poncelet , mekaniske kurs brukt på maskiner . Den 7 th omhandler seksjons motorer inkludert dampmaskiner 1839 Pambour, Steam Machine Theory 1844-1845 Clapeyron , selvfølgelig dampmaskiner på National School of broer og veier 1846-1847 Art Class maskiner l ' École polytechnique [ 1847 Memoir ved Helmholtz på bevaring av energi 1851-52 Léon Thomas, Kurs i dampmotorer ved Central School of Arts and Manufactures (kurs gitt siden 1836) 1856-57 Jules Gaudry, ingeniør ved Eastern Railway, Elementary Treatise [...] dampmaskiner , beregnet på utøvere |
1824 : 14. juniGirard presenterer refleksjoner ved vitenskapsakademiet 26. juniGirard leser sin rapport om Reflections at the Academy of Sciences 1841 Poncelet , Introduksjon til industrimekanikk . Fotnote 203 |
1834 Clapeyron Dissertation on the motive power of heat [ 1850 Memoir of Clausius ] 1853-54 I løpet av sitatet siterer og utvikler Clapeyron Reflections og hans memoar fra 1834 1863 CPM Combes, utstilling av prinsippene for den mekaniske teorien om varme og dens viktigste bruksområder. |
Et spørsmål gjenstår: hvorfor publiserte ikke Sadi Carnot noe mellom de åtte årene som skilte utgivelsen av Reflections fra datoen for hans død? Selv om flere forklaringer kan avanseres, er den mest sannsynlige årsaken at han ikke lenger hadde tillit til teoriene sine, og at han ikke hadde klart å finne en ny teori om varme. Med kalorier sto Sadi Carnot overfor en av de vanskeligste epistemologiske hindringene å overvinne og kjære for Gaston Bachelard : substansialisme , det vil si den monotone forklaringen av fysiske egenskaper etter substans.
Blant hans postume skrifter, et manuskript med tittelen Recherche d ' un- formel egnet for å representere drivkraften til vanndamp , skrevet mellomNovember 1819 og Mars 1827men sannsynligvis etter refleksjonene , ble bevart. I den skisserte han den første loven om termodynamikk , og prøvde å avklare sammenhengen mellom arbeid og varme. Dette notatet ble endelig utgitt i 1878, det vil si for sent til å være i stand til å påvirke vitenskapens utvikling, av Hippolyte Carnot, i et bind redigert til hyllest til broren der han satte inn en " Biografisk note om Sadi Carnot ". Det var utvilsomt våren 1832 at Sadi oppdaget ekvivalensprinsippet, og at han i korte notater tok opp konklusjonene fra en lang memoar, som til slutt ble ødelagt av Hippolyte. Disse notatene, også publisert i 1878, indikerer at han da hadde gitt opp kalori-teorien som fremdeles gjennomsyret hans essay fra 1824, og som han allerede hadde uttrykt tvil om i refleksjonene . Det ser ut til at han hadde innrømmet at varme ikke er annet enn motivkraft (i dag vil vi si energi ), og foreslår ti år foran Julius Robert von Mayer en numerisk verdi på l mekanisk ekvivalent til varme innen 2% og oppnådd det virker med mer vitenskapelig strenghet.
For å validere fremskrittene hans, hadde han skissert detaljerte eksperimenter, som vi i dag vil si ved konstant entalpi , og ligner på Benjamin Thompsons . Men i motsetning til denne, hadde han til hensikt å måle arbeidet som ble gjort og varmen som ble produsert, mens han varierte materialene som ble brukt. I denne forstand håpet han bestemt å finne en konstant mekanisk ekvivalent av varme, som ville ha hatt samme verdi for alle eksperimenter. Han så også for seg målinger ved bruk av gasser og væsker for å beregne den mekaniske ekvivalenten av varme.
Det er uklart om han kunne ha utført disse eksperimentene tilfredsstillende. Termodynamikkens historie måtte ennå løpe før man kom til teorien, så man kan neppe undervurdere vanskeligheter den burde ha overvunnet.
Det ville også ha vært nødvendig å overbevise spesielt den store mengden kjemikere og alle de som forsket på elektrisitet : alle var dypt knyttet til teorien om kalori . Til slutt må vi vente på at James Prescott Joule skal se den dynamiske teorien om varme endelig formulert. Syv år skiller fortsatt sin første publikasjon (1843) og utgivelsen av Rudolf Clausius, som samlet den dynamiske teorien om varme (Joule) og teoriene til Sadi Carnot.
Til slutt er det beklagelig, men dessverre sannsynlig at Sadi Carnot døde i troen på at han hadde mislyktes da han ganske enkelt grunnla en bred og grunnleggende gren av vitenskapen, med komplekse strukturer, termodynamikk, som knytter sammen fysikk , kjemi , biologi og til og med kosmologi .
For vitenskapshistorikeren dukker det opp flere spørsmål om forholdet mellom verkene til de to ingeniørene:
For DSL Cardwell har boken til Sadi Carnot, selv om den er mye mindre kjent enn De revolutionibus orbium coelestium av Copernicus , en sammenlignbar betydning i historien om moderne vitenskap fordi den har gjort det mulig, spesielt sjelden, å legge grunnlaget for en helt ny disiplin: termodynamikk .
Likevel har Carnots verk en original dimensjon. Copernicus jobbet i en tydelig definert og anerkjent disiplin; den kunne stole på en arv som består av refleksjoner og observasjoner samlet over to årtusener ( flyktningene ). Sadi Carnot måtte i mellomtiden arbeide med syntese mellom forskjellige vitenskapelige og tekniske disipliner. For dette var det nødvendig å velge dataene som skulle studeres, å bygge teorier fra begreper, lover og prinsipper hentet fra vitenskapene om varme og mekanikk, som fremdeles var adskilte, fra teknologier i full utvikling som damp eller allerede mer etablert. hydraulikk, men som også fremdeles ikke var relatert. Dessuten så han alene i 1824 behovet for denne nye vitenskapen, både for dens praktiske anvendelser, men også for mer grunnleggende grunner.
Fra et mer generelt synspunkt markerte arbeidet til Sadi Carnot begynnelsen på det Jacques Grinevald kaller Carnotian Revolution og som får oss til å bytte til et termoindustrielt samfunn med massiv bruk av fossil energi ( kull og deretter petroleum ). Nå er kraften i brannen gjør at framveksten av en ny maskin, bygget rundt en motor , og som utgjør en forgrening i historien av verktøyet . Det tillater utstøting av drivkraften til mennesket, dyret, de vanlige naturlige elementene som vind og vann for å gi mening til den gamle kollektive representasjonen av animerte skapninger som går fra Hefaistos til det elektriske fantomet i Hadaly . Samtidig vil denne drivkraften av ild svekke den tusen år gamle koblingen mellom teknikk og umiddelbar geografisk miljø, med den enestående utviklingen av nettverk og strømmer og den geografiske konsentrasjonen av utstyr som blir mulig ved flytting av denne makten .
Sadi Carnot oppdaget de to lovene som all vitenskapen om energi er basert på til tross for hindringer som virket uoverstigelige. Han ga et mål på den eksepsjonelle kraften i sin intuisjon ved å uttale sine lover når fakta var mangelvare, deres grove presisjon og spesielt når fremdriften i begynnende vitenskap ble holdt tilbake av den feilaktige teorien om uforgjengelig kalori.
Han bestemte seg intuitivt for at dampmotoren så ut som den gamle vannmøllen , som produserer energi ved å slippe vann fra et høyt nivå til et lavere nivå, at den produserer energi ved å få varmen til å falle fra den høye kjeltemperaturen til den lavere kondensatortemperaturen. Han følte at denne forskjellen i temperatur var et tydelig fenomen, men at fallet i varmen i seg selv var mye mindre, og han var forsiktig i sin lov for å få temperaturfallet til å spille den vesentlige delen. Vi vil si i dag at han gjettet at det var en forskjell mellom varmeform av energi og varmefall som kvernevann. Vi vet at det tok 40 år etter boken hans å definere entropi fra mengden varme som ekvivalent med kvernevann, og vi beundrer at han unngikk dette delikate problemet og til slutt avviste den første kaloriteorien.
Med sitt universelle omfang er hans arbeid sannsynligvis et unikt tilfelle i historien om moderne vitenskap, og i denne forstand var Nicolas Léonard Sadi Carnot absolutt en av de mest gjennomtrengende og originale tenkere som vår sivilisasjon har produsert.
For noen vil han forbli "en meteor i vitenskapens historie " , en enestående figur for hvem "med et ark, en blyantpenn og et sinn, etter å ha skapt grunnlaget for en ny vitenskap, er et spørsmål om en ganske beundringsverdig ånd ” . "Store menneskers død etterlater like mange angrer som nye forhåpninger" .
I 1970 ga International Astronomical Union navnet på den franske fysikeren til månekrateret Carnot og senere asteroiden (12289) Carnot .
Den Carnot-metoden , en exergi fordelingsprosedyre for å evaluere kraftvarme produkter og beregning av verdien av fysiske drivkraften av varmen, bærer hans navn.
I 2006 ble Carnot-merket opprettet i Frankrike for å utvikle grensesnittet mellom offentlig forskning og samfunnsøkonomiske aktører som svar på deres behov: denne dedikasjonen hilser det Sadi Carnot har brakt til grunnleggende fysikk ved å utforske et veldig anvendt spørsmål.