萨迪·卡诺—

热力学的开拓者

在法国，几乎每个地方都有一条“卡诺街”，在法兰西历史上，几乎没有其他名字能像“卡诺”这个名字那样响亮，但这个被怀念的卡诺并不是我们这里要说的科学家萨迪·卡诺，而是他的父亲拉扎尔·卡诺。拉扎尔·卡诺不但是哲学家和数学家，更是一位实干家和政治家，他是法国革命的重要人物，他领过军打过仗，组织过重大战役，取得过辉煌的战绩，最后不乏悲壮地被流放国外。老卡诺在科学上的建树以及他的《微积分的形而上学》一书早已被人们遗忘，而英年早逝的小卡诺为数不多的著作却在科学的记忆中经久不衰。萨迪·卡诺一生只出过一部重要的书，而科学界当时根本不把这本书当一回事儿。他那些未出版的文稿很久以后才被人发现，最晚的竟然是在1966年找到的，通过这些“重见天日”的文稿，人们才惊奇地发现，当年的萨迪·卡诺离19世纪下半叶才被公认的热力学原理有多近。

■萨迪·卡诺十七岁就读巴黎工学院时的照片

萨迪·卡诺的研究涉及多个领域，特别是科学和历史这两个领域。首先是围绕着热特性的争论，早在17世纪，玻义耳和培根就主张将热作为一种运动来理解，到了18世纪，这种主张又得到了米哈伊尔·罗蒙诺索夫的积极支持，但直到19世纪，热质理论（即燃素说）仍占据着统治地位。热质理论把热看作是一种无处不在飘忽不定的流体，在当时，这种观点在解释无接触的热传导现象（热辐射）时具有无可辩驳的优点，并使热传导变得可以计算，而正是在这一点上，热运动理论因缺乏可量化的动力理论而显得底气不足。但是，热质学说又很难解释与摩擦有关的热现象，面对“为什么摩擦可产生热”和“为什么有限的物体可产生无限的热”这样的问题一筹莫展。认为热从一个物体流向另一个物体的观点在理论上能很好地解释蒸汽机的实际应用，这就引出了萨迪·卡诺研究成果的历史意义。19世纪初期，政治独立运动风起云涌，人口迅速增长，工业革命势头猛烈。科学和科学家纷纷走出科学的贵族城堡，投身到社会的怀抱。在英国，詹姆斯·瓦特对纽科门的蒸汽机进行了技术改良，尽管如此，蒸汽机技术仍耗费昂贵，处在盈亏的边缘；法国人则希望在工业革命的浪潮中能迎头赶上。在这样一种历史背景下，萨迪·卡诺提出了如何使热力机器提高效率这样一个命题，通过艰难的理论探索，他以最简单的方法回答了这个非常实际的问题。他设计研制了一台理想的做功机器（也被称为卡诺热机），这台机器能传输不同温度的热并做功，在经过四个工作步骤后恢复到初始状态。卡诺把自己的机器设想为一台水力驱动的机器，水从一个处在较高位置的容器中流出，进入下方的一个容器并做功（例如推动一个磨坊），热机中的热物质就像水力机器中的水，热物质的温度就像水机中的水位，这种假设的前提是热质理论，特别是，热作为一种物质就像水一样要保持一定的数量。几十年后，詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（1818—1889）重新分析了卡诺的理论，发现事实并不像卡诺所想的那样。卡诺的热机循环理论是一个极大的嘲讽：这位法国科学家以错误的论据得出了正确的结果——理想热机效率的数学表达方式。

■拉扎尔·卡诺。版画，夏尔·艾梅·福雷斯捷

“谁都知道，一个绝缘体可源源不断提供的东西不可能是物质的东西，我觉得很难……为自己找到一个合适的概念来描述像热这样既活跃又具感染性的东西……除非把热看作是一种运动形式。”

——洛德·拉姆福德．热动力学理论代表人物

“正确”的热理论，即把热看作是微粒运动的动力理论已经近在咫尺了。从卡诺的遗稿中人们发现，他离这一理论只有一步之遥，如果上帝能让他多活几年，也许他就会成为提出被誉为是热力学第一定律的“能量守恒定律”的第一人。当然这只是一种假设，实际上，后来催生这一定律诞生的是当时在船上当医生的德国人尤利乌斯·罗伯特·迈尔（1814—1878）。

迟到的荣誉

赫尔曼·冯·亥姆霍兹和詹姆斯·普雷斯科特·焦耳差不多与尤利乌斯·罗伯特·迈尔同时对能量恒定原理和不同能量形式的转换特性进行了研究，于是就引发了一场激烈的发明权之争。在这场荣誉之争中，迈尔有一次不小心从窗户上摔了下来，不得不住院治疗疗养，1860年以后迈尔的贡献才被慢慢得到认同，1878年他载誉去世。

■詹姆斯·瓦特发明的带行星齿轮的蒸汽机，1788—1858年该设备一直在运行

迈尔坐船来到热带后发现，海员们的静脉血要比欧洲大陆气候条件下更加鲜红，他据此推测，天气变热时，生物体中的氧化活动（即与氧气的结合）减弱，这时，人体所需的一部分热量要通过周边环境来加以补充。他在《关于新陈代谢过程中的有机运动》一书里列举了5种可相互转换的主要能量：下坠力、运动、热、磁力（电力）、化学分解（聚合），他还计算出了机械做功

（如活塞的运动）在多大程度上转换成（接受活塞运动的气体的）热能，也就是所谓的机械热当量。1854年，鲁道夫·克劳修斯提出了热力学的第二定律后（其核心是热不可能完全转换成机械功），工业化终于有了完整的理论工具，使工程师和发明家们能够发明制造出效率越来越高的马达和机器。萨迪·卡诺对这一进程作出了不可磨灭的贡献，他的卡诺热机至今仍是热力学物理课程必不可少的内容。

萨迪·卡诺

生平与学术生涯

萨迪·卡诺于1796年6月1日出生在巴黎的小卢森堡宫，父亲拉扎尔·卡诺受过数学、工程、语言和文学的良好教育，曾是法国革命委员会的成员之一。1807年老卡诺暂时远离政治，把精力放在他的两个儿子的教育上。十六岁那年，萨迪·卡诺来到巴黎工学院学习，并于两年后完成学业，这以后他又来到梅斯军校学习工程学，在是否走军旅生涯这个问题上他与父亲产生了矛盾。萨迪的父亲担任过拿破仑100天政权的内政部长，拿破仑被流放后，他也被迫在德国的马德堡过流亡生活。萨迪·卡诺请假离开部队，拿着减半的军饷回到了巴黎。在巴黎他开始了丰富多彩的学习生活，他不但学习气体理论，而且还学习税收改革，对蒸汽机和蒸汽机的改进表示出了特别的兴趣。他提出了热的数学理论，为现代热力学奠定基石，他在这方面的研究文稿一直被封存在抽屉里，直到1966年才被发现。1823年父亲去世后，弟弟伊波利特·卡诺开始帮萨迪整理文稿，1824年终于见到了成果，卡诺发表了《论火的动力及产生这种动力的机器》一文，尽管这以后他继续研究热理论长达8年之久，并记录了他的研究思想和进展，但这些研究成果没有发表出来。《论火的动力及产生这种动力的机器》是他唯一的著作。卡诺的许多实验草图构思20年后才由其他人完成，萨迪·卡诺没能完成他的研究设想，于1832年8月24日在巴黎死于霍乱，年仅三十六岁。

相关知识

热机

詹姆斯·瓦特的蒸汽机是将热能转换成机械能的热机原型，它是在18世纪初就在矿山使用的纽科门“火机”的基础上发展而来的。蒸汽机的原理很简单，就是把水加热，使其形成蒸汽，蒸汽膨胀后产生做功的力。如果让蒸汽驱动连接拉杆的活塞，并能使活塞重新回到活塞缸体，就形成了一台发动机。老式的“火机”在做完一次功后，就得往汽缸里注水，以便让蒸汽得到冷却，使活塞恢复原位。与“火机”相比，瓦特蒸汽机的优点就在于使蒸汽进入另一个汽缸并得到冷却，这样就能使做功的汽缸保持原有的温度，节省加热的能量和时间，从而提高了工作效率。

推荐

阅读：

《论火的动力》，萨迪·卡诺著，Frankfurt/M. 2003

《蒸汽机的故事——历史沿革、工业历史、技术特征》， Otfried Wagenbreth， Helmut Düntzsch，Albert Gieseler著，Münster 2002《蒸汽机的故事》， Conrad Matschoss著，Hildesheim 1983

参观：

德国黑特施泰特市曼斯菲德博物馆（藏有德国第一台按照瓦特原理设计制造的蒸汽机的复制品）

点评

萨迪·卡诺用纯理论的做法实现了很实用的研究目的，即热机效率的改进。他的研究成果至今仍是热力学应用者无法逾越的界限。