薩迪·卡諾
在科學史上,總有許許多多的遺憾,比如科學怪人卡文迪許,他不發表自己的東西,結果失去了價值。還有很多科學家做出重大的發現或發明,總因為人生或社會的種種因素而導致遺憾產生,有時這不僅僅是遺憾,而是讓人痛心異常。
薩迪·卡諾就是這樣一個人。
卡諾出身於一個名門望族。他的父親是法國大革命時的政府官員,擔任要職,並且是著名的數學家,擔任過陸軍部部長的職務。卡諾弟弟也是政治家,而卡諾的侄子後來則是法蘭西第三共和國的總統。
卡諾早期的工作並沒有引起人們的注目。
1753年,卡諾出生。1821年以後,卡諾研究蒸汽機,他很想提高熱機的效率。
在18世紀中後期,蒸汽機使人們進入蒸汽時代,各行各業都在使用蒸汽機。但是蒸汽機的效率實在是太低了,如果用實際數字來說,燒100千克的煤其實隻有5千克有效地被利用。這不僅造成能源的浪費而且也不能很好地提高效率。
據說,卡諾研究蒸汽機是由於一件事情引起的。
1814年12月,巴黎舉行一場蒸汽機比賽,卡諾也有所耳聞。結果法國產的蒸汽機磨麵比英國產的要少,自然就輸了。
卡諾很受震動,決心投入到熱機的理論研究中去。
就在1814年,卡諾成為一名軍事工程師。卡諾走訪了很多工廠,實地考察總結了很多經驗。尤其在1821年後,卡諾集中精力研究熱機。
1824年,卡諾發表了他一生惟一的一篇論文《關於電的動力的研究》。在這部著作中,卡諾構造了“理想熱機”,他認為,多數人在研究和改進蒸氣機時,對蒸汽機效率的概念理解是錯誤的。一般人往往隻注重討論蒸汽機的實用性、安全性以及燃料經濟性,而沒有找到熱機效率提高的根本途徑。
卡諾經過近三年的研究,認為理論上的理想熱機模型是一個高溫熱源、一個低溫熱源和理想的循環方式,三者缺一不可。
卡諾認為,熱機工作是由於熱從高溫向低溫流動而熱量本身不減少的結果。這好比水從高處向低處流動使水車工作,但水卻不減少一樣。
這個思想其實是從錯誤的熱質說而來的。
卡諾得出的結論是正確的,但他的出發點是錯誤的。他信奉熱質守恒原理,相信熱機工作過程中熱量並沒有損失,這就使他在論證的過程中采用錯誤的原則。
而英明的卡諾自己認識到了熱質說的錯誤,從1830年起,他就改變了觀點。卡諾自己說過這樣的話:“熱不是別的什麼東西,而是動力,或者說是改變了形態的運動,它是一種運動。動力是自然界的一個不變之量。嚴格地說,動力既不能產生,也不能消滅。實際上動力隻改變它自己的形式,也就是說,它有時引起一種運動,有時則引起另一種運動,但決不會消滅”。
把卡諾所說的動力換成“能量”,我們說,他已經認識到了能量守恒的原理。進一步,卡諾從極其簡單但又十分有效的邏輯推理出發否定了永久運動的理論。
這就是“熱力學第二定律”。
然而,卡諾的著作銷售情況極其冷清,根本賣不出去。整整11年,沒有銷出去幾本,更沒有造成什麼影響。
至於上麵我們引的內容,是他後來拋棄熱質說之後提出的能量守恒原理,從而成為發現能量守恒原理的世界第一人,雖然還沒有完全科學地丟棄熱質說而證明結論,但畢竟功績不可埋沒。
如果說卡諾沒有引起世人注意是一個遺憾的話,他的去世則更加令人遺憾。
1832年,巴黎格外炎熱。卡諾積勞成疾,身體十分虛弱。不幸的是,他突然患上了猩紅熱,緊接著又得了腦膜炎,最後染上了霍亂。
36歲的卡諾早早地離開了人間。
因為卡諾患的是霍亂,所以他接觸過的一切物品都將被燒掉。卡諾的大量著作被燒掉,他的弟弟保留了哥哥的部分殘卷,我們今天就看到了能量守恒的理論。至於其他,不得而知。
直到1878年,卡諾的著作才發表,但作為物理理論,已經實際上失去意義了。很多人在卡諾之後都認識到了這一定律。
卡諾的熱機理論直到1834年,才由一位工程師克拉伯龍繼續研究,以解析圖式清楚地描述了卡諾循環,近似說明了蒸汽機的性能。
卡諾的思想中包含了熱力學第一定律和第二定律的部分內容。後來德國醫生邁爾、英國焦耳等眾多不同地區不同身份的科學家從不同角度提出了這一理論,而克勞修斯在卡諾基礎上正式提出熱力學第二定律。
英年早逝的卡諾具有熱力學史上的奠基意義。