在科学史上,总有许许多多的遗憾。 例如,科学怪人卡文迪许,他不发表自己的研究成果,结果这些成果失去了价值。 还有很多科学家作出重大的发现或发明,总因为人生或社会的种种因素而导致遗憾产生,有时这不仅仅是遗憾,而是让人痛心异常。 萨迪·卡诺就是这样一个人。
18世纪中后期,蒸汽机的发明和实用使人类进入蒸汽时代。 当时各行各业都在使用蒸汽机,但是蒸汽机的效率实在太低了。 如果用实际数字来说,烧100千克的煤,只有5千克有效地被利用了。 这不仅造成能源的浪费而且也不能很好地提高效率。
1821年以后,卡诺开始研究蒸汽机,他想提高热机的效率。 据说,卡诺研究蒸汽机是由一件事情引起的。
1814年12月,巴黎举行了一场蒸汽机比赛。 法国产的蒸汽机磨面比英国产的少,自然输了比赛。 卡诺得知这一结果时很受震动,他决心投入到热机的理论研究中去。
卡诺走访了很多工厂,实地考察总结了很多经验。 尤其在1821年后,卡诺集中精力研究热机。 1824年,卡诺发表了他一生中唯一的一篇论文《关于电的动力的研究》。
在这部作品中,卡诺构造了“理想热机”。 他认为,多数人在研究和改进蒸气机时,对蒸汽机效率的概念理解是错误的。 一般人往往只注重讨论蒸汽机的实用性、安全性以及燃料经济性,而没有找到热机效率提高的根本途径。
卡诺认为,理论上的理想热机模型是一个高温热源、一个低温热源和理想的循环方式,三者缺一不可。 卡诺认为,热机工作是由于热从高温向低温流动而热量本身不减少的结果。 这好比水从高处向低处流动使水车工作,但水却不减少一样。
这个思想其实是受错误的热质说的影响而来。 卡诺得出的结论是正确的,但他的出发点是错误的。 他信奉热质守恒原理,相信热机工作过程中热量并没有损失,这就使他在论证的过程中采用了错误的原则。
英明的卡诺自己认识到了热质说的错误,从1830年起,他改变了之前的观点。 卡诺说过这样的话:“热不是别的什么东西,而是动力,或者说是改变了形态的运动,它是一种运动。 动力是自然界的一个不变之量。 严格地说,动力既不能产生,也不能消灭。 实际上动力只改变自己的形式,也就是说,它有时引起一种运动,有时则引起另一种运动,但决不会消灭。 ”把卡诺所说的动力换成“能量”,我们说,他已经认识到了能量守恒的原理。
整整11年,卡诺的学说没有受人关注。 1832年,巴黎格外炎热。 十分虚弱的卡诺患上了猩红热,紧接着又得了脑膜炎,最后染上了霍乱。 36岁的卡诺就这样早早地离开了人间。
因为卡诺患的是霍乱,他接触过的一切物品都将被烧掉。 因此,他的其他科学思想人们就不得而知了。
直到1834年,卡诺的热机理论才被一位工程师克拉珀龙了解,他以解析图的方式清楚地描述了卡诺循环,为人们提高蒸汽机的性能提供了理论依据。
【科学小链接】
克拉珀龙
克拉珀龙,法国物理学家。 克拉珀龙主要从事热学、蒸汽机设计和理论、铁路工程技术方面的研究。 他设计了法国第一条铁路线。 法国第一座铁路桥也是以他的计算为基础设计的,他在设计计算中发明了以他的名字命名的支撑力矩计算法。 克拉珀龙重新研究和发展了卡诺的热机理论,1834年他赋予卡诺理论以易懂的数学形式,使卡诺理论显示出巨大意义。