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萨迪.卡诺

尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺（Nicolas Léonard Sadi Carnot，1796年6月1日－1832年8月24日），是法国青年工程师、热力学的创始人之一。他一生潜心于热机理论研究，仅仅活了36岁。

人物简介

1796年6月1日，卡诺出生在巴黎小卢森堡宫。其父是法国著名将军拉扎尔·卡诺，他曾在法国大革命和拿破仑“百日政变”中担任要职，后被复辟的波旁王朝流放，直至1823年在国外病逝。他不仅是一位著名的共和主义者，还是一位优秀的军事工程师和数学家。

卡诺头脑敏锐，受其父影响，从小醉心于工程科学，爱好数学和物理。

1812年，卡诺考入巴黎理工学院，师从泊松、盖吕萨克、安培、阿喇果等科学大师。他主要攻读了分析数学、分析力学、画法几何和化学。

1814—1816年，他就读于梅斯工兵学校。毕业后，他进入军界。但同时仍继续进行科学研究。他发现了热机效率低是当时工业的一个难题，便决心从事热机的研究。

理论研究

蒸汽机使法国和蒸汽机的故乡——英国日益工业化，为它们增加了国力和财力。由于蒸汽机的发明，工业革命在欧洲逐步兴起来了。作为法国人的卡诺亲身经历了这场蒸汽机革命的冲击，亲眼看到了蒸汽机是怎样促进人类文明向前发展的。然而，他也看到：人们是知道怎样制造和使用蒸汽机，而对蒸汽机的理论却了解不够。 当时的热机工程界对这样两个问题进行着热烈的讨论：（1）热机效率是否有一极限？（2）什么样的热机工作物质是最理想的？

在对热机效应缺乏理论认识的情况下，工程师只能就事论事，从热机的适用性、安全性和燃料的经济性几个方面来改进热机。他们曾盲目采用空气、二氧化碳，甚至采用酒精来代替蒸汽，试图找到一种最佳的工作物质。这种研究只具有针对性，而不具备普遍性；从某一热机上获得的最佳数据不能套用于另一热机。这就是当时热机理论研究的状况。卡诺采用了截然不同的途径，他不是研究个别热机，而是要寻一种可以作为一般热机的比较标准的理想热机。

当拉扎尔在1823年8月病故后，卡诺的弟弟回到巴黎，协助卡诺完成了《关于火的动力》一书的写作，使它在1824年6月12日发表出来。卡诺在这部著作中提出了“卡诺热机”和“卡诺循环”的概念及“卡诺原理”（称为“卡诺定理”）。 根据卡诺热机理论，“卡诺热机”是一切工作于相同高温热源和低温热源之间的热机中效率最高的热机，是一种理想热机；“卡诺循环”是一种可逆循环，按照现代的术语来说，是熵保持不变的循环。“卡诺原理”是说：“热动力与用来产生它的工作物质无关，它的量唯一地由在它们之间产生效力的物体（热源）的温度来确定，最后还与热质的输运量有关”。

值得注意的是，卡诺在1824年论著中借用了“热质”的概念，这是他的理论在当时受到怀疑的一个重要原因。卡诺之所以要借助于“热质”，是为了便于通过蒸汽机和水轮机的形象类比来发现热机的规律。在卡诺看来，“热质”正如水从高水位流下推动水轮机一样，它从高温热源流出以推动活塞，然后进入低温热源。在整个过程中，推动水轮机的水没有量的损失；同样，推动活塞的“热质”也没有损失。为了避免混乱，卡诺在谈到热量、或热与机械功的关系时，就不用“热质”一词，而改用“热”；况且在他后来的研究记录中，他就彻底抛弃了“热质”一词。在一个很长的时间内，不少人说卡诺是“热质”论者，其实是没有根据的。

卡诺性格孤僻而清高，他一生只有可数的几位好友。在《关于火的动力》发表后，卡诺继续研究热机理论。由于巴黎总参谋军团的改组，他被调回部队。他在部队的时间不到一年，就永远辞去了职务，加在到巴黎在他父亲遗留下来的私寓里长期定居下来。在学派林立的巴黎学界，卡诺的厌世情绪越来越严重。他父亲的革命思想对他的影响至深，以致使他不满时局而与时代格格不入，这就更加恶化了他与社会的关系。七月革命爆发了，他一度表现积极，但很快又失望了。由于他父亲的名气，七月革命党人提名他为巴黎内阁成员。他厌恶这种官衔世袭的作法，而毅然拒绝了。最后他仍回到自己的书桌前从事科学研究。1831年，卡诺开始研究气体和蒸汽的物理性质。1832年6月，他患了猩红热，不久后转为脑炎，他的身体受了致命的打击。后来他又染上了流行性霍乱，同年8月24日去世。

卡诺去世时年仅36岁，按照当明的防疫条例，霍乱病者的遗物应一律付之一炬。卡诺生前所写的大量手稿被烧毁，幸得他的弟弟将他的小部分手稿保留了下来。这部分手稿中有一篇是仅有21页纸的论文----《关于适合于表示水蒸汽的动力的公式的研究》；其余内容是卡诺在1824－1826年间写下的23篇论文，它们的论题主要集中在这样三个方面：（1）关于绝热过程的研究；（2）关于用磨擦产生热源；（3）关于抛弃“热质”学说。卡诺这些遗作直到1878年才由他的弟弟整理发表出来。

卡诺抛弃“热质”学说的原因，首先是受菲涅耳（A．J．Fresnel，1788－1827）的影响。菲涅耳认为光和热是一组相似的现象，既然光是物质粒子振动的结果，那么热也应当是物质粒子振动的结果，是物质的一种运动形式，而不是什么虚无缥缈没有质量的东西。卡诺接受了菲涅耳的设想，他一方面运用热的动力学新概念重新审度他在1824年提出的热机理论，发现只要用“热量”一词代替“热质”，他的理论仍然成立。另一方面，他又深入研究伦福德伯爵（C．Rrmford）和戴维（H．Davy）的磨擦生热的实验，并计划用实验来揭示在液体或气体中的磨擦热效应的定量关系，他计算出热功当量为3.7焦耳/卡，比焦耳（J P Joule）的工作超前将近20年。

在卡诺去世两年后，《关于火的动力》才获得了第一个认真的读者----克拉珀龙（Emile Claperon）。他是巴黎理工学院的毕业生，只比卡诺低几个年级。1834年，他在学院出版的杂志上发表了题为《论热的动力》的论文，用P－V曲线翻译了卡诺循环，但未引起学术界的注意。10年后，英国青年物理学家开尔文在法国学习时，偶尔读到克拉珀龙的文章，才知道有卡诺的热机理论。然而，他找遍了各图书馆和书店，都无法找到卡诺的1824年论著。实际上，他在1848年发表的《建立在卡诺热动力理论基础上的绝对温标》一文，主要根据克拉珀龙介绍的卡诺理论来写的。1849年，开尔文终于弄到一本他盼望已久的卡诺著作。十余年后，德国物理学家克劳修斯（R．Clausius）也遇到了同样的困难，他一直没弄到卡诺原著，只是通过克拉珀龙和开尔文的论文熟悉了卡诺理论。

这些事实表明，在1824年至1878年间，卡诺的热机理论一直没有得到广泛传播。卡诺生前的好友罗贝林（Robelin）在法国《百科评论》杂志上曾经这样写道：卡诺孤独地生活、凄凉地死去，他的著作无人阅读，无人承认。

卡诺的理论不仅是热机的理论，它还涉及到热量和功的转化问题，因此也就涉及到热功当量、热力学第一定律及能量守恒与转化的问题。可以设想，如果卡诺的理论在1824年就开始得到公认或推广的话，这些定律的发现可能会提前许多年。这种估计不算过分，根据前面的分析，卡诺至迟在1824－1826年间就计算过热功当量，这比焦耳的工作要早17~19年。虽然他的计算不够精确，但他的理论见解是正确的。我们有理由相信，在他那些被烧毁的手稿中可能还有关于热功当量的更精确的计算。

突出贡献

卡诺是法国18世纪著名科学家，不论在科学家传记上还是在各种大百科全书中，都有关于他的生平和贡献的记载。

他是第一个把热和动力联系起来的人，是热力学的真正的理论基础建立者。 他出色地、创造性地用“理想实验”的思维方法，提出了最简单，但有重要理论意义的热机循环——卡诺循环，并假定该循环在准静态条件下是可逆的，与工质无关，创造了一部理想的热机（卡诺热机）。卡诺循环是热机最理想的循环。他对物理学中的热力学做出了突出贡献。英国著名物理学家麦克斯韦（J．C．Maxwell，1831－1879），对卡诺理论作过高度评价。他说：“卡诺的理论是“一门具有可靠的基础、清楚的概念和明确的边界的科学”。可是，这个理论的创立者不论在法国学术界还是在法国社会里都未曾获得多数人的支持。