Николя Леонар Сади Карно - Nicolas Léonard Sadi Carnot

О президенте Франции и племяннике Николя Леонара см. Мари Франсуа Сади Карно .
Су-лейтенант

Сади Карно
Сади Карнот.jpeg
Николя Леонар Сади Карно в 1813 году в возрасте 17 лет в традиционной форме студента Политехнической школы.
Родился ( 1796-06-01 )1 июня 1796 г.
Palais du Petit-Luxembourg , Париж , Франция
Умер 24 августа 1832 г. (36 лет)
Париж, Франция
Национальность Франция
Альма-матер École Polytechnique
École Royale du Génie
University of Paris
Collège de France
Известен Цикл
Карно Эффективность
Карно Теорема
Карно Тепловой двигатель Карно
Научная карьера
Поля Физик
Учреждения Французская армия
Академические консультанты Симеон Дени Пуассон
Андре-Мари Ампер
Франсуа Араго
Под влиянием Эмиль Клапейрон
Рудольф Клаузиус
Лорд Кельвин
Примечания
Он был братом Ипполита Карно , его отцом был математик Лазар Карно , а его племянниками были Мари Франсуа Сади Карно и Мари Адольф Карно .

Sous-лейтенант Карно ( на французском языке:  [kaʁno] ; 1 июня 1796 - 24 августа 1832) был французский инженер - механик в французской армии , военный ученый и физик , и часто описывается как «отец термодинамики .» Он опубликовал только одну книгу, « Размышления о движущей силе огня» (Париж, 1824 г.), в которой изложил первую успешную теорию максимальной эффективности тепловых двигателей и заложил основы новой дисциплины: термодинамики. Работа Карно привлекла мало внимания при его жизни, но позже была использована Рудольфом Клаузиусом и лордом Кельвином для формализации второго закона термодинамики и определения концепции энтропии . Его отец использовал суффикс Сади для его имени из-за его сильного интереса к персонажу Саади Ширази , известного иранского поэта. Основываясь на чисто технических задачах, таких как улучшение характеристик парового двигателя , интеллект Сади Карно заложил основу для современных научно-технических разработок, таких как автомобиль или реактивный двигатель .

Жизнь

Николя Леонар Сади Карно родился в Париже, во дворце Пти-Люксембург, в семье, известной как в науке, так и в политике. Он был первым сыном Лазара Карно , выдающегося математика, военного инженера и лидера Французской революционной армии . Лазар выбрал третье имя своего сына (под которым он всегда будет называться) в честь персидского поэта Сади Ширазского . Сади был старшим братом государственного деятеля Ипполита Карно и дядей Мари Франсуа Сади Карно , которая занимала пост президента Франции с 1887 по 1894 год.

В 1811 году, в возрасте 16 лет, Сади Карно стал кадетом Политехнической школы в Париже, где его одноклассниками были Мишель Шаслес и Гаспар-Гюстав Кориолис . Политехническая школа предназначалась для подготовки инженеров для военной службы, но среди ее преподавателей были такие выдающиеся ученые, как Андре-Мари Ампер , Франсуа Араго , Жозеф Луи Гей-Люссак , Луи Жак Тенар , Жан Николя Пьер Ашетт , Жан-Анри Хассенфрац , Антуан Андре. Луи Рейно и Симеон Дени Пуассон . Таким образом, школа стала известна своим математическим обучением.

После окончания университета в 1814 году Сади стал офицером инженерного корпуса французской армии . Его отец Лазар был министром внутренних дел Наполеона в течение « Сто дней », и после окончательного поражения Наполеона в 1815 году Лазар был вынужден покинуть страну. Положение Сади в армии при восстановленной монархии Бурбонов Людовика XVIII становилось все труднее.

Сади Карно был отправлен в разные места, где он инспектировал укрепления , отслеживал планы и писал множество отчетов. Оказалось, что его рекомендации были проигнорированы, и его карьера застопорилась. 15 сентября 1818 года он взял шестимесячный отпуск, чтобы подготовиться к вступительным экзаменам в Королевский штабной корпус и Школу приема на службу в Генеральный штаб.

В 1819 году Сади перешел во вновь сформированный Генеральный штаб в Париже. Он оставался на военной службе, но с тех пор он уделял большую часть своего внимания частным интеллектуальным занятиям и получал только две трети заработной платы. Карно подружился с Николя Клеманом и Шарлем-Бернаром Десормом и посетил лекции по физике и химии. Он заинтересовался пониманием ограничений для улучшения характеристик паровых машин , что привело его к исследованиям, которые стали его « Размышлениями о движущей силе огня» , опубликованными в 1824 году.

Карно ушел из армии в 1828 году без пенсии. Он был помещен в частный приют в 1832 году как страдавший от «мании» и «общего бреда» и вскоре умер от холеры в возрасте 36 лет в больнице в Иври-сюр-Сен .

Размышления о движущей силе огня

Фон

Когда Карно начал работу над своей книгой, паровые машины приобрели общепризнанное экономическое и промышленное значение, но их настоящее научное исследование еще не проводилось. Ньюкомен изобрел первую паровую машину с поршневым двигателем более века назад, в 1712 году; Примерно через 50 лет после этого Джеймс Ватт внес свои знаменитые усовершенствования, благодаря которым значительно повысилась эффективность и практичность паровых двигателей. Составные двигатели (двигатели с более чем одной ступенью расширения) уже были изобретены, и существовала даже грубая форма двигателя внутреннего сгорания , с которой Карно был знаком и которую он подробно описал в своей книге. Хотя существовало некоторое интуитивное понимание работы двигателей, научной теории их работы практически не существовало. В 1824 году принцип сохранения энергии все еще был плохо разработан и вызывал споры, а до точной формулировки первого закона термодинамики оставалось еще более десяти лет; механическая эквивалентность тепла не будет сформулирована еще в течение двух десятилетий. Преобладающей теорией тепла была калорическая теория , которая рассматривала тепло как своего рода невесомую и невидимую жидкость, которая течет, когда выходит из равновесия .

Во времена Карно инженеры пытались с помощью таких средств, как пар под высоким давлением и использование жидкостей, повысить эффективность двигателей. На этих ранних этапах разработки двигателя КПД типичного двигателя - полезная работа, которую он мог выполнять при сжигании заданного количества топлива - составлял всего 3%.

Цикл Карно

Основные статьи: Карен тепловой двигатель и цикл Карно

Карно хотел ответить на два вопроса о работе тепловых двигателей: «Является ли работа, доступная от источника тепла, потенциально неограниченной?» и «Можно ли в принципе улучшить тепловые двигатели, заменив пар другим рабочим телом или газом?» Он попытался ответить на эти вопросы в мемуарах, опубликованных как популярный труд в 1824 году, когда ему было всего 27 лет. Он назывался « Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu» («Размышления о движущей силе огня»). Книга явно предназначалась для довольно популярного освещения довольно широкого круга тем, касающихся тепловых двигателей; уравнения были сведены к минимуму и требовали немного большего, чем простая алгебра и арифметика, за исключением иногда в сносках, где он баловался несколькими аргументами, включающими некоторые исчисления. Он обсудил относительные достоинства воздуха и пара как рабочих жидкостей, достоинства различных аспектов конструкции паровых двигателей и даже включил некоторые собственные идеи относительно возможных практических улучшений. Самая важная часть книги была посвящена абстрактному представлению идеализированного двигателя, который можно было бы использовать для понимания и разъяснения фундаментальных принципов, которые обычно применяются ко всем тепловым двигателям, независимо от их конструкции.

Возможно, самым важным вкладом Карно в термодинамику было его абстрагирование основных характеристик паровой машины, как они были известны в его время, в более общую и идеализированную тепловую машину . Это привело к созданию модельной термодинамической системы, на основе которой можно было производить точные вычисления, и избежать осложнений, вносимых многими грубыми особенностями современного парового двигателя. Идеализируя двигатель, он мог получить ясные и бесспорные ответы на свои первоначальные два вопроса.

Он показал, что эффективность этого идеализированного двигателя зависит только от двух температур резервуаров, между которыми он работает. Однако он не привел точную форму функции, которая, как позже было показано, равна ( T 1 - T 2 ) / T 1 , где T 1 - абсолютная температура более горячего резервуара. (Примечание: это уравнение, вероятно, исходит от Кельвина .) Ни один тепловой двигатель, работающий в любом другом цикле, не может быть более эффективным при тех же рабочих температурах .

Цикл Карно является наиболее эффективным двигателем не только из-за (тривиального) отсутствия трения и других побочных расточительных процессов; Основная причина в том, что он предполагает отсутствие теплопроводности между частями двигателя при разных температурах. Карно знал, что передача тепла между телами при разных температурах - это расточительный и необратимый процесс, от которого необходимо отказаться, чтобы тепловой двигатель достиг максимальной эффективности.

Что касается второго пункта, он также был совершенно уверен, что максимально достижимая эффективность не зависит от точной природы рабочего тела . Он сформулировал это для акцента в качестве общего предложения:

Движущая сила тепла не зависит от агентов, задействованных для его реализации; его количество определяется исключительно температурами тел, между которыми осуществляется, наконец, передача калорий.

-  Карно 1890 , стр. 68

Для его «движущей силы тепла» мы бы сегодня сказали «эффективность обратимого теплового двигателя», и вместо «передачи тепла» мы бы сказали «обратимый перенос энтропии ∆S » или «обратимый перенос тепла». при заданной температуре Q / T ». Он интуитивно знал, что его двигатель будет иметь максимальную эффективность, но не мог сказать, какой будет эта эффективность.

Он заключил:

Таким образом, производство движущей силы в паровых двигателях происходит не за счет фактического потребления калорий, а за счет их транспортировки от теплого тела к холодному телу.

-  Карно 1890 , стр. 46


а также

При падении калорийности движущая сила, несомненно, возрастает с увеличением разницы температур между теплым и холодным телами, но мы не знаем, пропорционально ли она этой разнице.

-  Карно 1890 , стр. 61

В идеализированной модели калорийность, переносимая от горячего тела к холодному, с помощью теплового двигателя без трения, в котором отсутствует теплопроводный поток тепла, приводимая в действие разницей температур, производящая работу, также может быть использована для транспортировки калорий обратно к горячему телу. путем реверсирования движения двигателя, потребляющего такой же объем работы, концепция, впоследствии известная как термодинамическая обратимость . Далее Карно предположил, что во время работы его идеализированного двигателя не происходит потери калорий. Процесс будучи полностью обратим, выполненный по этому виду теплового двигателя является наиболее эффективным возможным процессом. Предположение, что теплопроводность, обусловленная разницей температур, не может существовать, так что двигатель не теряет калорий, привело его к разработке цикла Карно, который будет приводиться в действие его идеализированным двигателем. Следовательно, цикл состоит из адиабатических процессов, в которых нет потоков тепла / калорий ∆S = 0, и изотермических процессов, при которых передается тепло ∆S > 0, но не существует разницы температур ∆T = 0. Доказательство существования максимального КПД для тепловых двигателей следующее:

Поскольку цикл, названный его именем, не расходует калорий, реверсивный двигатель должен использовать этот цикл. Теперь представьте себе два больших тела, горячее и холодное. Он постулирует теперь существование тепловой машины с большей эффективностью. Теперь мы соединяем две идеализированные машины, но с разной эффективностью, и соединяем их с одним и тем же горячим и одним и тем же холодным телом. Первый, менее эффективный, позволяет постоянному количеству энтропии ∆S = Q / T переходить от горячего к холодному в течение каждого цикла, обеспечивая объем работы, обозначенный W. Если мы теперь используем эту работу для питания другой более эффективной машины, она будет, используя количество работы W, полученной в течение каждого цикла первой машиной, заставит количество энтропии ∆S '> ∆S течь от холодного тела к горячему. Чистый эффект - это поток энтропии ∆S '- ∆S ≠ 0 от холода к горячему телу, в то время как чистая работа не выполняется. Следовательно, холодное тело охлаждается, а температура горячего тела повышается. Поскольку теперь разница температур увеличивается, производительность первого двигателя увеличивается в последовательных циклах, а из-за разницы температур двух двигателей второго двигателя увеличивается еще больше в каждом цикле. В конце концов, этот набор машин станет вечным двигателем , которого не может быть. Это доказывает, что предположение о существовании более эффективного двигателя было ошибочным, поэтому тепловой двигатель, работающий по циклу Карно, должен быть наиболее эффективным. Это означает, что тепловой двигатель без трения, в котором отсутствует теплопроводный поток тепла, приводимый в действие разницей температур, демонстрирует максимально возможную эффективность.

Далее он приходит к выводу, что выбор рабочего тела, его плотности или занимаемого им объема не может изменить этот максимальный КПД. Используя эквивалентность любого рабочего газа, используемого в тепловых двигателях, он вывел, что разница в удельной теплоемкости газа, измеренная при постоянном давлении и постоянном объеме, должна быть постоянной для всех газов. Сравнивая работу своих гипотетических тепловых машин для двух разных объемов, занятых одинаковым количеством рабочего газа, он правильно выводит соотношение между энтропией и объемом для изотермического процесса :

Прием и дальнейшая жизнь

Книга Карно получила очень мало внимания со стороны современников. Единственное упоминание о нем в течение нескольких лет после его публикации было в обзоре в периодическом издании Revue Encyclopédique , журнале, освещавшем широкий круг литературных тем. Влияние этой работы стало очевидным только после того, как она была модернизирована Эмилем Клапейроном в 1834 году, а затем доработана Клаузиусом и Кельвином , которые вместе извлекли из нее концепцию энтропии и второй закон термодинамики. Рэнкин , который ввел термин потенциальная энергия в 1853 году, позже узнал, что эквивалентная фраза «в ее чисто механическом смысле была предвосхищена Карно», который использовал термин force vive virtuelle .

По религиозным взглядам Карно, он был философским теистом . Он верил в божественную причинность , заявляя, что «то, что для невежественного человека является случайностью, не может быть случайностью для более образованного», но он не верил в божественное наказание. Он критиковал устоявшуюся религию, но в то же время высказывался в пользу «веры во всемогущее Существо, которое любит нас и наблюдает за нами».

Он читал Блеза Паскаля , Мольера и Жана де Лафонтена .

Смерть

Карно умер во время эпидемии холеры в 1832 году в возрасте 36 лет ( Азимов, 1982 , с. 332). Из-за заразной природы холеры многие вещи и сочинения Карно были похоронены вместе с ним после его смерти. Как следствие, сохранилась лишь небольшая часть его научных работ.

После публикации « Размышлений о движущей силе огня» книга быстро вышла из печати, и в течение некоторого времени ее было очень трудно получить. Кельвину , например, было трудно достать книгу Карно. В 1890 г. английский перевод книги был издан Р. Х. Терстоном ; эта версия была переиздана в последние десятилетия Дувром и Питером Смитом, а в последний раз - Дувром в 2005 году. Некоторые посмертные рукописи Карно были также переведены на английский язык.

Карно опубликовал свою книгу в период расцвета паровых машин. Его теория объясняла, почему паровые машины, использующие перегретый пар, лучше из-за более высокой температуры в последующем горячем резервуаре. Теории и усилия Карно не сразу помогли повысить эффективность паровых двигателей; его теории только помогли объяснить, почему одна существующая практика превосходит другие. Лишь в конце девятнадцатого века идеи Карно, а именно, что тепловой двигатель можно сделать более эффективным, если повысить температуру его горячего резервуара, были реализованы на практике. Однако книга Карно в конечном итоге оказала реальное влияние на конструкцию практических двигателей. Рудольф Дизель , например, использовал теории Карно для разработки дизельного двигателя , в котором температура горячего резервуара намного выше, чем у парового двигателя, в результате чего двигатель был более эффективным.

Работает

Смотрите также

использованная литература

Библиография

внешние ссылки