卡諾與熱機改造

李洪生

在英國，當瓦特蒸汽機掀起了第一次工業(yè)革命的風暴以后，科學(xué)家和技術(shù)人員對熱機的研究達到了空前的狂熱。但是，一般的熱學(xué)家和力學(xué)家都比較重視應(yīng)用技術(shù)的研究。加之像瓦特、戴維這樣一些對熱力學(xué)做過一些開拓工作的人大都是在自學(xué)道路上成長起來的，不太擅于運用數(shù)學(xué)和物理學(xué)的數(shù)理抽象方法進行研究。因此，熱力學(xué)的真正的理論基礎(chǔ)建立者，并不是他們，而是兼有理論科學(xué)才能與實驗科學(xué)才能的法國工程師薩迪·卡諾。

卡諾于1796年6月1日生在巴黎。他的父親拉查雷·卡諾是法國有名的將軍、政治活動家，被稱為法國大革命中“勝利的組織家”，曾經(jīng)發(fā)表過關(guān)于軍事戰(zhàn)略方面的論文。父親在數(shù)學(xué)、物理方面也有很高的造詣，卡諾自幼受父親的熏陶，特別是在1807年父親退出政界、軍界以后，便把自己的全部精力都傾注在兒子的學(xué)業(yè)上，因此卡諾進步非?？臁?/p>

1812年，16歲的卡諾考入了法國十分著名的巴黎理工學(xué)校。這所學(xué)校要求很嚴格，它既重視基礎(chǔ)理論的教學(xué)，又注意培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。它是19世紀法國高等教育和科學(xué)研究的中心，成果累累、人才輩出。許多著名的科學(xué)家都在這里學(xué)習(xí)和工作過，卡諾在這里打下了良好的基礎(chǔ)。

1814年10月，年僅18歲的卡諾以班上第六名的成績獲得理工學(xué)校的畢業(yè)文憑。接著，他又到梅斯工兵學(xué)校深造。在那里他學(xué)習(xí)了兩年軍事工程。1816年，從工兵學(xué)校畢業(yè)的卡諾到軍隊中服役，擔任少尉軍官。卡諾很不適應(yīng)部隊中嚴格的組織紀律和單調(diào)乏味的生活。1820年，卡諾終于離開部隊回到巴黎。這時，卡諾又先后在巴黎大學(xué)、法蘭西學(xué)院、礦業(yè)學(xué)院和巴黎國立工藝博物館學(xué)習(xí)物理學(xué)、數(shù)學(xué)和政治經(jīng)濟學(xué)。這樣，他的理論基礎(chǔ)更加雄厚了。

當時，法國的蒸汽機已增加到65臺。這個數(shù)字雖然并不大，但這使卡諾有可能對蒸汽機進行深入的研究。卡諾發(fā)現(xiàn)，從外國進口的蒸汽機尤其是英國制造的蒸汽機在性能方面遠遠超過法國產(chǎn)的蒸汽機。在研究瓦特蒸汽機的過程中，卡諾最關(guān)心的當然是蒸汽機的熱效率問題，即熱能與機械能之間的轉(zhuǎn)化問題。他發(fā)現(xiàn)，蒸汽機在將熱能轉(zhuǎn)化為機械能的過程中，除熱能轉(zhuǎn)化為機械能這一主要過程之外，還有許多輔助過程。而正是這些輔助過程阻礙了人們對能量轉(zhuǎn)化進行深入研究。于是，卡諾決定舍棄這些輔助過程，采用一種抽象的數(shù)理分析方法，著重探討熱能與機械能的轉(zhuǎn)化。運用這種科學(xué)方法，卡諾提出了一種理想熱機理論，并以這種理想熱機理論為基礎(chǔ)，設(shè)想出一種理想熱機。

1824年，28歲的卡諾發(fā)表了《關(guān)于火的動力及產(chǎn)生這種動力的機器》一文，闡述了他的理想熱機理論。這本書里總結(jié)了卡諾自己早期的研究成果。在這本書一開始他就談到了在地球上觀察到的許多現(xiàn)象都與熱有關(guān)。在這篇論文中，卡諾明確指出，熱機只能在具有溫差的兩個熱源之間工作。當熱從高溫熱源如瀑布那樣流向低溫熱源時，熱機才能做功。熱機的效率與工作介質(zhì)無關(guān)而主要取決于兩個熱源之間的溫差。

他說：“我們可以恰當?shù)匕褵岬膭恿鸵粋€瀑布的動力相比，瀑布的動力依賴于它的高度和水量，熱的動力則依賴于所用熱素和我們可以稱之為熱素的下落速度，即交換熱素的物體之間的溫度差?！笨ㄖZ在1824年所論述的這些理論成果，實際上已包括了人們后來所總結(jié)出來的熱力學(xué)第二定律：熱只能在從高溫熱源轉(zhuǎn)向低溫熱源的過程中做功。只是由于卡諾當時還相信熱質(zhì)說，因此對他所發(fā)現(xiàn)的這一定律作了錯誤的理論解釋。

在《關(guān)于熱動力以及熱動力機的看法》一書中，卡諾還指出，最好的熱機工作物質(zhì)是在一定的溫度范圍內(nèi)膨脹程度最大的物質(zhì)。也就是說，作為熱機工作物質(zhì)，氣體比固體和液體更有前途，具有更大的優(yōu)點。他看到了氣體作為熱機工作物質(zhì)的潛在優(yōu)點，這就預(yù)示了后來乃至今天普遍使用的內(nèi)燃機的發(fā)展。

在初步提出熱機理論之后，卡諾又繼續(xù)進行了一些理論探索工作。此后，他逐漸放棄了熱質(zhì)說，而相信了熱動說。這就使他對熱能與機械能之間的轉(zhuǎn)化有了新的認識。1830年，卡諾在一篇論文草稿中已明確地采用了熱動說。此后，他還在熱動說的基礎(chǔ)上，根據(jù)他對熱能與機械能之間的轉(zhuǎn)化所作的研究，最先提出了熱功當量的概念。與此同時，他還初步對熱功當量進行了測定。雖然他所測得的熱功當量的數(shù)據(jù)并不精確，但這是人們對熱功當量的最早的測定。正是在1830年所寫的這篇論文草稿中，卡諾明確指出：“熱不是別的東西，而是動力（能量），或者可以說是改變了形態(tài)運動，它是一種運動?！庇终f：“動力（能量）是自然界的一個不變量。準確地說，它既不能產(chǎn)生，也不能消滅。實際上它只改變它的形式，也就是說，它有時引起一種運動，有時則引起另一種運動，但決不消滅?！笨ㄖZ的這些論述說明，他已接近發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)第一定律，并在這以前實際上已發(fā)現(xiàn)了熱力學(xué)第二定律，并以這些發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)，提出了理想熱機的熱力循環(huán)理論以及一種高壓縮型的自燃熱機的設(shè)想，正式奠定了熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)。而他的熱力學(xué)成就也為能量守恒和轉(zhuǎn)化定律的發(fā)現(xiàn)直接鋪平了理論道路。

1832年6月，卡諾不幸得了猩紅熱，接著又患腦膜炎，最后又染上了流行性霍亂。在這些嚴重疾病的襲擊下，他于同年8月24日逝世，終年僅36歲。這時他風華正茂，正是將為科學(xué)事業(yè)做出更大貢獻的關(guān)鍵時刻，病魔卻奪去了這位年輕的物理學(xué)家的生命。而他的遺稿直到1878年才公開發(fā)表。

今天，當我們坐在以內(nèi)燃機為動力的舒適的小轎車中的時候；當我們看到以內(nèi)燃機為動力的大卡車川流于馬路中央時，我們不會忘記，年輕的法國物理學(xué)家卡諾曾為之付出畢生的心血。