Николя Леонар Сади Карно - Nicolas Léonard Sadi Carnot - Wikipedia

О президенте Франции и племяннике Николя Леонара см. Мари Франсуа Сади Карно.
Сади Карно
Сади Карнот.jpeg
Николя Леонар Сади Карно в 1813 году в возрасте 17 лет в традиционной униформе студента École Polytechnique
Родившийся(1796-06-01)1 июня 1796 г.
Дворец Пти-Люксембург, Париж, Франция
Умер24 августа 1832 г. (36 лет)
Париж, Франция
НациональностьФранция
Альма-матерÉcole Polytechnique
École Royale du Génie
Парижский университет
Коллеж де Франс
ИзвестенЦикл Карно
Эффективность Карно
Теорема Карно
Тепловой двигатель Карно
Научная карьера
ПоляФизик
УчрежденияФранцузская армия
Академические консультантыСимеон Дени Пуассон
Андре-Мари Ампер
Франсуа Араго
Под влияниемЭмиль Клапейрон
Рудольф Клаузиус
Лорд Кельвин
Примечания
Он был братом Ипполит Карно, его отец был математиком Лазар Карно, и его племянники были Мари Франсуа Сади Карно и Мари Адольф Карно.

Су-лейтенант Николя Леонар Сади Карно (Французский:[каʁно]; 1 июня 1796 - 24 августа 1832) был французом инженер-механик в Французская армия, военный ученый и физик, часто описываемый как "отец термодинамика." Нравиться Коперник, он опубликовал только одну книгу, Размышления о движущей силе огня (Париж, 1824 г.), в которой он в возрасте 27 лет изложил первую успешную теорию максимальной эффективности тепловые двигатели. В этой работе он заложил основы совершенно новой дисциплины, термодинамики. Работы Карно не привлекали особого внимания при его жизни, но позже их использовали Рудольф Клаузиус и Лорд Кельвин оформить второй закон термодинамики и определим понятие энтропия. Его отец использовал суффикс Сади, чтобы назвать его из-за его сильного интереса к персонажу Саади Ширази, известный иранский поэт.

Жизнь

Николя Леонар Сади Карно родился в Париже в семье, известной как в науке, так и в политике. Он был первым сыном Лазар Карно, выдающийся математик, военный инженер, руководитель Французская революционная армия. Лазар выбрал третье имя своего сына (под которым его всегда будут называть) в честь персидского поэта. Сади из Шираза. Сади был старшим братом государственного деятеля Ипполит Карно и дядя Мари Франсуа Сади Карно, который будет служить Президент Франции с 1887 по 1894 гг.

В 16 лет Сади Карно стала кадетом в École Polytechnique в Париже, куда входили его одноклассники Мишель Часлес и Гаспар-Гюстав Кориолис. Политехническая школа предназначалась для подготовки инженеров для военной службы, но среди ее преподавателей были такие выдающиеся ученые, как Андре-Мари Ампер, Франсуа Араго, Жозеф Луи Гей-Люссак, Луи Жак Тенар и Симеон Дени Пуассон, и школа стала известна своим математическим обучением. После окончания университета в 1814 году Сади стал офицером в Французская армия Инженерный корпус. Его отец Лазар служил Наполеон Министр внутренних дел во время "Сто дней ", и после Окончательное поражение Наполеона в 1815 году Лазар был отправлен в ссылку. Положение Сади в армии, при восстановлен Бурбонская монархия Людовик XVIII, становилось все труднее.[1]

Сади Карно был отправлен в разные места, он инспектировал укрепления, отслеживал планы и писал много отчетов. Похоже, его рекомендации были проигнорированы, и его карьера застопорилась.[2] 15 сентября 1818 года он взял шестимесячный отпуск, чтобы подготовиться к вступительным экзаменам в Королевский штабной корпус и Школу приема на службу в Генеральный штаб.[1]

В 1819 году Сади перешел во вновь сформированный Генеральный штаб в Париже. Он оставался на военной службе, но с тех пор он уделял большую часть своего внимания частной интеллектуальной деятельности и получал только две трети заработной платы. Карно подружился с ученым Николя Клеман слушал лекции по физике и химии. Он заинтересовался пониманием ограничений в улучшении производительности Паровые двигатели, что привело его к расследованиям, которые стали его Размышления о движущей силе огня, опубликовано в 1824 году.

Карно уволился из армии в 1828 году без пенсии. Он был интернирован в частный приют в 1832 году как страдавший от «мании» и «общего бреда», и он умер от холера вскоре после этого, в возрасте 36 лет, в больнице в г. Иври-сюр-Сен.[3]

Размышления о движущей силе огня

Фон

Когда Карно начал работать над своей книгой, Паровые двигатели достигли общепризнанного экономического и промышленного значения, но их настоящее научное исследование не проводилось. Newcomen изобрел первый поршневой паровой двигатель более века назад, в 1712 году; примерно через 50 лет после этого, Джеймс Ватт внес свои знаменитые улучшения, благодаря которым значительно повысилась эффективность и практичность паровых машин. Составные двигатели (двигатели с более чем одной ступенью расширения) уже были изобретены, и даже грубая форма двигателя внутреннего сгорания, с которым Карно был знаком и который он подробно описал в своей книге. Хотя существовало некоторое интуитивное понимание работы двигателей, научной теории их работы практически не существовало. В 1824 г. принцип сохранение энергии был все еще плохо разработан и противоречив, а точная формулировка первый закон термодинамики оставалось еще больше десяти лет; то механический эквивалент тепла не будет сформулирован еще два десятилетия.[4] Преобладающей теорией тепла была теория теория калорий, которые считали тепло своего рода невесомым и невидимым жидкость это вытекало, когда из равновесие.

Инженеры во времена Карно пытались с помощью таких средств, как пар и использование жидкостей для улучшения эффективность двигателей. На этих ранних этапах разработки двигателя эффективность типичного двигателя - полезная работа, которую он мог выполнять, когда заданное количество топливо сгорел - всего 3%.

Цикл Карно

Основные статьи: Тепловой двигатель Карно и Цикл Карно

Карно хотел ответить на два вопроса о работе тепловых двигателей: «Является ли работа, доступная от источника тепла, потенциально неограниченной?» и «Можно ли в принципе улучшить тепловые двигатели, заменив пар другим рабочим телом или газом?» Он попытался ответить на эти вопросы в мемуарах, опубликованных как популярный труд в 1824 году, когда ему было всего 27 лет. Он был озаглавлен Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu («Размышления о движущей силе огня»). Книга явно предназначалась для освещения довольно широкого круга тем о тепловых двигателях в довольно популярной форме; уравнения были сведены к минимуму и требовали немного большего, чем простая алгебра и арифметика, за исключением иногда в сносках, где он баловался несколькими аргументами, включающими некоторые исчисления. Он обсудил относительные достоинства воздуха и пара как рабочих жидкостей, достоинства различных аспектов конструкции паровых двигателей и даже включил некоторые собственные идеи относительно возможных практических улучшений. Самая важная часть книги была посвящена абстрактному представлению идеализированного двигателя, который можно было бы использовать для понимания и разъяснения фундаментальных принципов, которые обычно применяются ко всем тепловым двигателям, независимо от их конструкции.

Возможно, самым важным вкладом Карно в термодинамику было его абстрагирование основных характеристик паровой машины, как они были известны в его время, в более общие и идеализированные. Тепловой двигатель. В результате появилась модель термодинамическая система на основе которых можно было производить точные вычисления, и избежать сложностей, связанных с многими грубыми особенностями современной паровой машины. Идеализируя двигатель, он мог получить ясные и бесспорные ответы на свои первоначальные два вопроса.

Он показал, что эффективность этого идеализированного двигателя зависит только от двух температур резервуаров, между которыми он работает. Однако он не дал точной формы функции, которая, как позже было показано, имеет вид (Т1−Т2)/Т1, куда Т1 - абсолютная температура более горячего резервуара. (Примечание: это уравнение, вероятно, пришло из Кельвин.) Ни один тепловой двигатель, работающий в любом другом цикле, не может быть более эффективным при том же рабочие температуры.

Цикл Карно - наиболее эффективный двигатель не только из-за (тривиального) отсутствия трения и других побочных расточительных процессов; основная причина в том, что он не предполагает теплопроводности между частями двигателя при разных температурах. Карно знал, что передача тепла между телами при разных температурах - это расточительный и необратимый процесс, который необходимо исключить, чтобы тепловой двигатель достиг максимальной эффективности.

Что касается второго пункта, он также был совершенно уверен, что максимально достижимая эффективность не зависит от точного характера рабочая жидкость. Он сформулировал это для акцента в качестве общего предложения:

Движущая сила тепла не зависит от агентов, задействованных для его реализации; его количество определяется исключительно температурами тел, между которыми осуществляется, наконец, передача калорий.

— Карно 1890, п. 68

В отношении его «движущей силы тепла» мы бы сегодня сказали «эффективность обратимого теплового двигателя», а вместо «передачи тепла» мы бы сказали «обратимый перенос энтропии». ∆S"или" обратимая передача тепла при заданной температуре Q / TОн интуитивно знал, что его двигатель будет иметь максимальную эффективность, но не мог сказать, какой будет эта эффективность.

Он заключил:

Таким образом, производство движущей силы в паровых двигателях происходит не за счет фактического потребления калорий, а за счет их транспортировки от теплого тела к холодному телу.[5]

— Карно 1890, п. 46


и

При падении калорийности движущая сила, несомненно, возрастает с увеличением разницы температур между теплым и холодным телами, но мы не знаем, пропорционально ли она этой разнице.[6]

— Карно 1890, п. 61

В идеализированной модели калория переносится от горячего тела к холодному без трения. Тепловой двигатель отсутствие проводящего теплового потока, вызванного разницей температур, дающей работу, также можно было бы использовать для транспортировки теплоты обратно к горячему телу путем реверсирования движения двигателя, потребляющего такой же объем работы, концепция, впоследствии известная как термодинамическая обратимость. Карно также предположил, что во время работы его идеализированного двигателя не происходит потери калорий. Процесс полностью обратимый, выполняемый таким Тепловой двигатель это наиболее эффективный из возможных процессов. Предположение о том, что теплопроводность, обусловленная разницей температур, не может существовать, так что двигатель не теряет калорий, привело его к разработке цикла Карно, который будет приводиться в действие его идеализированным двигателем. Следовательно, цикл состоит из адиабатические процессы где нет тепла / калорий ∆S = 0 потоки и изотермические процессы где передается тепло ∆S > 0, но нет разницы температур ∆T = 0 существуют. Доказательство существования максимальной эффективности для тепловых двигателей следующее:

Поскольку цикл, названный его именем, не тратит калорий, реверсивный двигатель должен использовать этот цикл. Теперь представьте себе два больших тела, горячее и холодное. Теперь он постулирует существование тепловой машины с большей эффективностью. Теперь мы соединяем две идеализированные машины, но с разной эффективностью, и соединяем их с одним горячим и одним и тем же холодным телом. Первый и менее эффективный позволяет поддерживать постоянное количество энтропии. ∆S = Q / T переходить от горячего к холодному в течение каждого цикла, производя объем работы, обозначенный W. Если мы теперь используем эту работу для питания другой более эффективной машины, она, используя количество работы W, полученной во время каждого цикла первой машиной, создаст количество энтропии ∆S '> ∆S течь от холода к горячему телу. Чистый эффект - это поток ∆S '- ∆S ≠ 0 из энтропия от холодного к горячему телу, при этом никакой сетевой работы не выполняется. Следовательно, холодное тело охлаждается, а температура горячего тела повышается. Поскольку теперь разница температур увеличивается, производительность первого двигателя увеличивается в последовательных циклах, а из-за разницы температур двух двигателей второго двигателя увеличивается еще больше в каждом цикле. В конце концов, этот набор машин будет вечный двигатель этого не может быть. Это доказывает, что предположение о существовании более эффективного двигателя было неверным, так что тепловой двигатель, работающий по циклу Карно, должен быть наиболее эффективным. Это означает, что тепловой двигатель без трения, в котором отсутствует теплопроводный поток, управляемый разницей температур, демонстрирует максимально возможную эффективность.

Далее он заключает, что выбор рабочего тела, его плотности или занимаемого им объема не может изменить этот максимальный КПД. Используя эквивалентность любого рабочего газа, используемого в тепловых двигателях, он вывел, что разница в удельная теплоемкость газа, измеренного при постоянном давлении и постоянном объеме, должно быть постоянным для всех газов. Сравнивая работу его гипотетических тепловых двигателей для двух разных объемов, занятых одинаковым количеством рабочего газа, он правильно выводит соотношение между энтропией и объемом для изотермический процесс:

Прием и дальнейшая жизнь

Книга Карно получила очень мало внимания со стороны современников. Единственное упоминание о нем в течение нескольких лет после публикации было в обзоре в периодическом издании. Revue Encyclopédique, который был журналом, охватывающим широкий круг литературных тем. Влияние работы стало очевидным только после того, как она была модернизирована Эмиль Клапейрон в 1834 г., а затем Клаузиус и Кельвин, которые вместе извлекли из него концепцию энтропия и второй закон термодинамики.

По религиозным взглядам Карно, он был Философский теист.[7] Как деист, он верил в божественное причинность, заявляя, что «то, что для невежественного человека является случайностью, не может быть случайностью для более образованного», но он не верил в божественное наказание. Он критиковал устоявшуюся религию, но в то же время высказывался в пользу «веры во всемогущее Существо, которое любит нас и наблюдает за нами».[8]

Он читал Блез Паскаль, Мольер и Жан де ла Фонтен.[9]

Смерть

Карно умер во время холера эпидемия 1832 г., в возрасте 36 лет. (Азимов 1982, п. 332) Из-за заразной природы холера, многие вещи и произведения Карно были похоронены вместе с ним после его смерти. Как следствие, сохранилась лишь небольшая часть его научных работ.

После публикации Размышления о движущей силе огня, книга быстро вышла из печати, и какое-то время ее было очень трудно достать. Кельвин Например, ему было трудно достать копию книги Карно. В 1890 г. английский перевод книги издал Р. Х. Терстон;[10] эта версия была переиздана в последние десятилетия Дувр и Питером Смитом, а последний раз - Дувром в 2005 году. Некоторые посмертные рукописи Карно также были переведены на английский язык.

Карно опубликовал свою книгу в период расцвета паровых машин. Его теория объясняла, почему паровые машины, использующие перегретый пар, лучше из-за более высокой температуры в последующем горячем резервуаре. Теории и усилия Карно не сразу помогли повысить эффективность паровых двигателей; его теории только помогли объяснить, почему одна существующая практика превосходит другие. Лишь в конце девятнадцатого века идеи Карно, а именно, что тепловой двигатель можно сделать более эффективным, если повысить температуру его горячего резервуара, были реализованы на практике. Однако книга Карно в конечном итоге оказала реальное влияние на конструкцию практических двигателей. Рудольф Дизель, например, использовали теории Карно[11] разработать дизель, в котором температура горячего резервуара намного выше, чем у парового двигателя, что приводит к более эффективному двигателю.

Смотрите также

Работает

Рекомендации

  1. ^ а б Сади Карно и преподаватель термодинамики, CNRS Éditions
  2. ^ Томасс, Т. (2003). "Николя Леонар Сади Карно (1796-1832)" (PDF). Université de Technologie de Compiègne. Архивировано из оригинал (PDF) на 2017-02-15. Получено 2014-07-19.
  3. ^ Чисхолм 1911.
  4. ^ Вольфрам, Стивен (2002). Новый вид науки. Wolfram Media, Inc. стр.1019. ISBN  1-57955-008-8.
  5. ^ Карно 1890, п. 46
  6. ^ Карно 1890, п. 61
  7. ^ Карно 1890, стр. 215–217
  8. ^ Р. Х. Терстон, 1890., Приложение A. стр. 215–217
  9. ^ Р. Х. Терстон, 1890, стр. 28
  10. ^ Карно 1890
  11. ^ Дизель, Рудольф (1894). Теория и конструкция рационального теплового двигателя.. E. & F. N. Spon.

Библиография

внешняя ссылка