Nicolas Léonard Sadi Carnot - Nicolas Léonard Sadi Carnot


Sadi Carnot
Sadi Carnot.jpeg
Nicolas Léonard Sadi Carnot i 1813 i en alder af 17 år i den traditionelle uniform af en studerende fra École Polytechnique
Født ( 1796-06-01 )1. juni 1796
Døde 24. august 1832 (36 år)
Paris, Frankrig
Nationalitet Frankrig
Alma Mater École Polytechnique
École Royale du Génie
Universitetet i Paris
Collège de France
Kendt for Carnot -cyklus
Carnot -effektivitet
Carnot -sætning
Carnot -varmemotor
Videnskabelig karriere
Felter Fysiker
Institutioner Franske hær
Akademiske rådgivere Siméon Denis Poisson
André-Marie Ampère
François Arago
Påvirket Émile Clapeyron
Rudolf Clausius
Lord Kelvin
Noter
Han var bror til Hippolyte Carnot , hans far var matematikeren Lazare Carnot , og hans nevøer var Marie François Sadi Carnot og Marie Adolphe Carnot .

Sous-løjtnant Nicolas Léonard Sadi Carnot ( fransk:  [kaʁno] ; 1. juni 1796-24 . august 1832) var en fransk maskiningeniør i den franske hær , militærforsker og fysiker , og blev ofte beskrevet som " termodynamikkens far". Han udgav kun en bog, Reflections on the Motive Power of Fire (Paris, 1824), hvor han udtrykte den første vellykkede teori om varmemotorers maksimale effektivitetog lagde grundlaget for den nye disciplin: termodynamik. Carnots arbejde tiltrak lidt opmærksomhed i løbet af hans levetid, men det blev senere brugt af Rudolf Clausius og Lord Kelvin til at formalisere termodynamikkens anden lov og definere begrebet entropi . Hans far brugte suffikset Sadi til at navngive ham på grund af hans intense interesse for karakteren af Saadi Shirazi , en kendt iransk digter. Baseret på rent tekniske bekymringer, såsom forbedring af dampmaskinens ydeevne, lagde Sadi Carnots forstand grundlaget for moderne videnskabeligt teknologiske design, såsom bil- eller jetmotoren .

Liv

Nicolas Léonard Sadi Carnot blev født i Paris på Palais du Petit-Luxembourg i en familie, der blev kendetegnet inden for både videnskab og politik. Han var den første søn af Lazare Carnot , en fremtrædende matematiker, militæringeniør og leder af den franske revolutionære hær . Lazare valgte sin søns tredje fornavn (efter hvilket han altid ville være kendt) efter den persiske digter Sadi fra Shiraz . Sadi var ældste bror til statsmanden Hippolyte Carnot og onkel til Marie François Sadi Carnot , der ville tjene som Frankrigs præsident fra 1887 til 1894.

I 1811, 16 år gammel, blev Sadi Carnot kadet i École Polytechnique i Paris, hvor hans klassekammerater omfattede Michel Chasles og Gaspard-Gustave Coriolis . École Polytechnique var beregnet til at uddanne ingeniører til militærtjeneste, men dets professorer omfattede eminent videnskabsfolk som André-Marie Ampère , François Arago , Joseph Louis Gay-Lussac , Louis Jacques Thénard , Jean Nicolas Pierre Hachette , Jean-Henri Hassenfratz , Antoine André Louis Reynaud og Siméon Denis Poisson . Således var skolen blevet kendt for sin matematiske undervisning.

Efter eksamen i 1814 blev Sadi officer i den franske hærs ingeniørkorps. Hans far Lazare havde tjent som Napoleons indenrigsminister under " Hundred Days ", og efter Napoleons sidste nederlag i 1815 blev Lazare tvunget i eksil. Sadis position i hæren under det restaurerede Bourbon -monarki Louis XVIII blev stadig vanskeligere.

Sadi Carnot blev sendt til forskellige steder, hvor han inspicerede befæstninger , fulgte planer og skrev mange rapporter. Det så ud til, at hans anbefalinger blev ignoreret, og hans karriere var stagnerende. Den 15. september 1818 tog han seks måneders orlov for at forberede indgangseksamen af ​​Royal Corps of Staff og School of Application for General Staffs tjeneste.

I 1819 overførte Sadi til den nyoprettede generalstab i Paris. Han forblev kaldet til militær tjeneste, men fra da af dedikerede han det meste af sin opmærksomhed til private intellektuelle sysler og modtog kun to tredjedele løn. Carnot blev ven med Nicolas Clément og Charles-Bernard Desormes og deltog i foredrag om fysik og kemi. Han blev interesseret i at forstå begrænsningen for at forbedre ydelsen af dampmaskiner , hvilket førte ham til de undersøgelser, der blev hans Reflections on the Motive Power of Fire , der blev offentliggjort i 1824.

Carnot trak sig tilbage fra hæren i 1828 uden pension. Han blev interneret i en privat asyl i 1832 som lidende af "mani" og "generel delirum", og han døde af kolera kort tid efter, i alderen 36, på hospitalet i Ivry-sur-Seine .

Refleksioner om ildens drivkraft

Baggrund

Da Carnot begyndte at arbejde på sin bog, havde dampmaskiner opnået bredt anerkendt økonomisk og industriel betydning, men der havde ikke været nogen reel videnskabelig undersøgelse af dem. Newcomen havde opfundet den første stempeldrevne dampmaskine over et århundrede før, i 1712; omkring 50 år efter det, foretog James Watt sine berømte forbedringer, som var ansvarlige for at øge effektiviteten og praktiskheden af ​​dampmaskiner. Sammensatte motorer (motorer med mere end et udvidelsestrin) var allerede opfundet, og der var endda en rå form for forbrændingsmotor , som Carnot var bekendt med, og som han beskrev detaljeret i sin bog. Selvom der fandtes en vis intuitiv forståelse af motorernes funktion, var videnskabelig teori om deres drift næsten ikke -eksisterende. I 1824 var princippet om bevarelse af energi stadig dårligt udviklet og kontroversielt, og en nøjagtig formulering af den første termodynamiske lov var stadig mere end et årti væk; den mekaniske ækvivalens af varme ville ikke blive formuleret i yderligere to årtier. Den fremherskende teori om varme var den kaloriske teori , der betragtede varme som en slags vægtløs og usynlig væske, der flyder, når den er ude af ligevægt .

Ingeniører på Carnots tid havde forsøgt at forbedre motorernes effektivitet ved hjælp af f.eks. Damp under stærkt tryk og brug af væsker . I disse tidlige stadier af motorudviklingen var effektiviteten af ​​en typisk motor - det nyttige arbejde, den var i stand til at udføre, når en given mængde brændstof blev brændt - kun 3%.

Carnot cyklus

Carnot ønskede at besvare to spørgsmål om drift af varmemotorer: "Er arbejdet tilgængeligt fra en varmekilde potentielt ubegrænset?" og "Kan varmemotorer i princippet forbedres ved at udskifte dampen med noget andet arbejdsvæske eller gas?" Han forsøgte at besvare disse i en erindringsbog, der blev udgivet som et populært værk i 1824, da han kun var 27 år gammel. Den havde titlen Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu ("Refleksioner over ildens drivkraft"). Bogen var klart beregnet til at dække en temmelig bred vifte af emner om varmemotorer på en ret populær måde; ligninger blev holdt på et minimum og krævede lidt mere end simpel algebra og regning, undtagen lejlighedsvis i fodnoterne, hvor han gav sig til et par argumenter, der involverede en beregning. Han diskuterede de relative fordele ved luft og damp som arbejdsvæsker, fordelene ved forskellige aspekter af dampmaskindesign og inkluderede endda nogle egne ideer om mulige praktiske forbedringer. Den vigtigste del af bogen var afsat til en abstrakt præsentation af en idealiseret motor, der kunne bruges til at forstå og præcisere de grundlæggende principper, der generelt anvendes på alle varmemotorer, uafhængigt af deres design.

Måske var det vigtigste bidrag, Carnot gav til termodynamik, hans abstraktion af dampmaskinens væsentlige træk, som de blev kendt i hans tid, til en mere generel og idealiseret varmemotor . Dette resulterede i en termodynamisk model , hvorpå nøjagtige beregninger kunne foretages, og undgåede de komplikationer, der blev indført af mange af de rå egenskaber ved den moderne dampmaskine. Ved at idealisere motoren kunne han nå frem til klare og ubestridelige svar på sine to oprindelige spørgsmål.

Han viste, at effektiviteten af ​​denne idealiserede motor kun er en funktion af de to temperaturer i reservoirerne, som den kører mellem. Han gav imidlertid ikke den nøjagtige form for funktionen, som senere viste sig at være ( T 1 - T 2 )/ T 1 , hvor T 1 er den absolutte temperatur på det varmere reservoir. (Bemærk: Denne ligning stammer sandsynligvis fra Kelvin .) Ingen termisk motor, der driver en anden cyklus, kan være mere effektiv i betragtning af de samme driftstemperaturer .

Carnot -cyklussen er den mest effektive motor, ikke kun på grund af det (trivielle) fravær af friktion og andre tilfældige spildprocesser; hovedårsagen er, at den ikke antager nogen varmeledning mellem dele af motoren ved forskellige temperaturer. Carnot vidste, at varmeledning mellem legemer ved forskellige temperaturer er en spild og irreversibel proces, som skal elimineres, hvis varmemotoren skal opnå maksimal effektivitet.

Med hensyn til det andet punkt var han også helt sikker på, at den opnåede maksimale effektivitet ikke var afhængig af arbejdsvæskens nøjagtige karakter . Han udtalte dette med vægt som et generelt forslag:

Varmeens drivkraft er uafhængig af de midler, der anvendes til at realisere den; dens mængde bestemmes udelukkende af temperaturerne i legemerne, mellem hvilke der endelig foretages overførsel af kalorier.

-  Carnot 1890 , s. 68

For hans "varmekraft" ville vi i dag sige "effektiviteten af ​​en reversibel varmemotor", og i stedet for "kalorioverførsel" ville vi sige "den reversible overførsel af entropi ∆S " eller "den reversible varmeoverførsel ved en given temperatur Q/T ". Han vidste intuitivt, at hans motor ville have den maksimale effektivitet, men kunne ikke oplyse, hvad denne effektivitet ville være.

Han konkluderede:

Produktionen af ​​drivkraft skyldes derfor i dampmaskiner ikke det faktiske forbrug af kalorier, men transporten fra en varm krop til en kold krop.

-  Carnot 1890 , s. 46


og

I kaloriefaldet stiger drivkraften utvivlsomt med temperaturforskellen mellem de varme og kolde kroppe, men vi ved ikke, om den er proportional med denne forskel.

-  Carnot 1890 , s. 61

I en idealiseret model kunne kalorien, der transporteres fra en varm til en kold krop af en friktionsløs varmemotor, der mangler ledende varmestrøm, drevet af en temperaturforskel, hvilket giver arbejde, også bruges til at transportere kalorien tilbage til den varme krop ved at vende motorens bevægelse og forbruge den samme mængde arbejde, et koncept efterfølgende kendt som termodynamisk reversibilitet . Carnot postulerede yderligere, at ingen kalorieindhold går tabt under driften af ​​hans idealiserede motor. Processen, der er fuldstændig reversibel, udført af denne form for varmemotor er den mest effektive proces. Antagelsen om, at varmeledning drevet af en temperaturforskel ikke kan eksistere, så ingen kalorier går tabt af motoren, guidede ham til at designe Carnot-cyklussen, der skulle drives af hans idealiserede motor. Cyklussen består derfor af adiabatiske processer, hvor der ikke strømmer varme/kalorier ∆S = 0 og isotermiske processer, hvor varme overføres ∆S > 0, men der ikke er nogen temperaturforskel ∆T = 0. Beviset for eksistensen af ​​en maksimal effektivitet for varmemotorer er som følger:

Da cyklussen opkaldt efter ham ikke spilder kalorier, skal den reversible motor bruge denne cyklus. Forestil dig nu to store kroppe, en varm og en kold. Han postulerer nu eksistensen af ​​en varmemaskine med en større effektivitet. Vi kobler nu to idealiserede maskiner, men med forskellige effektiviteter og forbinder dem med den samme varme og samme kolde krop. Den første og mindre effektive lader en konstant mængde entropi ∆S = Q/T flyde fra varmt til koldt under hver cyklus, hvilket giver en mængde arbejde betegnet W. Hvis vi nu bruger dette arbejde til at drive den anden mere effektive maskine, er det ville ved hjælp af mængden af ​​arbejde W opnået under hver cyklus med den første maskine få en mængde entropi ∆S '> ∆S til at strømme fra kulden til den varme krop. Nettoeffekten er en strøm af ∆S ' - ∆S ≠ 0 af entropi fra kulden til den varme krop, mens der ikke udføres noget netarbejde. Derfor afkøles den kolde krop, og den varme krop stiger i temperatur. Efterhånden som temperaturforskellen stiger, er udbyttet af arbejde ved den første større i de på hinanden følgende cyklusser, og på grund af den anden motor strækker forskellen i temperatur i de to legemer sig med hver cyklus endnu mere. I sidste ende ville dette sæt maskiner være en perpetuum -mobil, der ikke kan eksistere. Dette beviser, at antagelsen om eksistensen af ​​en mere effektiv motor var forkert, så en varmemotor, der driver Carnot -cyklussen, skal være den mest effektive. Det betyder, at en friktionsfri varmemotor, der mangler ledende varmestrøm drevet af en temperaturforskel, viser maksimal mulig effektivitet.

Han konkluderer yderligere, at valget af arbejdsfluid, dens densitet eller volumen optaget af det ikke kan ændre denne maksimale effektivitet. Ved at bruge ækvivalensen af ​​enhver arbejdsgas anvendt i varmemotorer udledte han, at forskellen i den specifikke varme for en gas målt ved konstant tryk og ved konstant volumen skal være konstant for alle gasser. Ved at sammenligne driften af ​​hans hypotetiske varmemotorer for to forskellige volumener optaget af den samme mængde arbejdsgas udleder han korrekt forholdet mellem entropi og volumen for en isotermisk proces :

Modtagelse og senere liv

Carnots bog modtog meget lidt opmærksomhed fra sin samtid. Den eneste henvisning til den inden for få år efter offentliggørelsen var i en anmeldelse i det tidsskrift, Revue Encyclopédique , som var et tidsskrift, der dækkede en lang række emner i litteraturen. Virkningen af ​​værket var først blevet tydelig, da det blev moderniseret af Émile Clapeyron i 1834 og derefter yderligere uddybet af Clausius og Kelvin , der sammen udledte det af begrebet entropi og den anden termodynamiklov. Rankine , der introducerede udtrykket potentiel energi i 1853, blev senere gjort opmærksom på, at en tilsvarende sætning, "i sin rent mekaniske forstand, var blevet forudset af Carnot", der havde brugt udtrykket force vive virtuelle .

Med hensyn til Carnots religiøse synspunkter var han en filosofisk teist . Han troede på guddommelig kausalitet og udtalte, at "hvad for en uvidende mand er tilfældighed, kan ikke være tilfældighed for en bedre instrueret", men han troede ikke på guddommelig straf. Han kritiserede etableret religion, selvom han samtidig talte for "troen på et almægtigt væsen, der elsker os og passer på os."

Han var en læser af Blaise Pascal , Molière og Jean de La Fontaine .

Død

Carnot døde under en koleraepidemi i 1832, 36 år gammel. ( Asimov 1982 , s. 332) På grund af koleraens smitsomme natur blev mange af Carnots ejendele og skrifter begravet sammen med ham efter hans død. Som en konsekvens overlevede kun en håndfuld af hans videnskabelige skrifter.

Efter udgivelsen af Reflections on the Motive Power of Fire , gik bogen hurtigt ud af tryk og var i nogen tid meget vanskelig at få. Kelvin havde for det første svært ved at få en kopi af Carnots bog. I 1890 udkom en engelsk oversættelse af bogen af RH Thurston ; denne version er blevet genoptrykt i de seneste årtier af Dover og Peter Smith, senest af Dover i 2005. Nogle af Carnots posthume manuskripter er også blevet oversat til engelsk.

Carnot udgav sin bog i dampmaskinernes storhedstid. Hans teori forklarede, hvorfor dampmaskiner, der brugte overophedet damp, var bedre på grund af den højere temperatur i det deraf følgende varme reservoir. Carnots teorier og bestræbelser hjalp ikke umiddelbart med at forbedre effektiviteten af ​​dampmaskiner; hans teorier hjalp kun med at forklare, hvorfor en eksisterende praksis var bedre end andre. Det var først mod slutningen af ​​det nittende århundrede, at Carnots idéer, nemlig at en varmemotor kan gøres mere effektive, hvis temperaturen på dets varme reservoir øges, blev anvendt i praksis. Carnots bog havde imidlertid i sidste ende en reel indflydelse på design af praktiske motorer. Rudolf Diesel brugte for eksempel Carnots teorier til at designe dieselmotoren , hvor temperaturen på det varme reservoir er meget højere end en dampmaskine, hvilket resulterer i en mere effektiv motor.

Arbejder

Se også

Referencer

Bibliografi

eksterne links