李洪生
在英國,當(dāng)瓦特蒸汽機(jī)掀起了第一次工業(yè)革命的風(fēng)暴以后,科學(xué)家和技術(shù)人員對熱機(jī)的研究達(dá)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(yùn)用數(shù)學(xué)和物理學(xué)的數(shù)理抽象方法進(jìn)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(jìn)步非???。
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(yán)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(jì)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(dān)任少尉軍官??ㄖZ很不適應(yīng)部隊中嚴(yán)格的組織紀(jì)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(jì)學(xué)。這樣,他的理論基礎(chǔ)更加雄厚了。
當(dāng)時,法國的蒸汽機(jī)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(jī)進(jìn)行深入的研究??ㄖZ發(fā)現(xiàn),從外國進(jìn)口的蒸汽機(jī)尤其是英國制造的蒸汽機(jī)在性能方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過法國產(chǎn)的蒸汽機(jī)。在研究瓦特蒸汽機(jī)的過程中,卡諾最關(guān)心的當(dāng)然是蒸汽機(jī)的熱效率問題,即熱能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化問題。他發(fā)現(xiàn),蒸汽機(jī)在將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程中,除熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)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(jìn)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(jī)械能的轉(zhuǎn)化。運(yùn)用這種科學(xué)方法,卡諾提出了一種理想熱機(jī)理論,并以這種理想熱機(jī)理論為基礎(chǔ),設(shè)想出一種理想熱機(jī)。
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(jī)器》一文,闡述了他的理想熱機(jī)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(jī)只能在具有溫差的兩個熱源之間工作。當(dāng)熱從高溫?zé)嵩慈缙俨寄菢恿飨虻蜏責(zé)嵩磿r,熱機(jī)才能做功。熱機(jī)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(dāng)?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?zé)嵩崔D(zhuǎn)向低溫?zé)嵩吹倪^程中做功。只是由于卡諾當(dāng)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(jī)的看法》一書中,卡諾還指出,最好的熱機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的發(fā)展。
在初步提出熱機(jī)理論之后,卡諾又繼續(xù)進(jìn)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(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化有了新的認(rèn)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(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化所作的研究,最先提出了熱功當(dāng)量的概念。與此同時,他還初步對熱功當(dāng)量進(jìn)行了測定。雖然他所測得的熱功當(dāng)量的數(shù)據(jù)并不精確,但這是人們對熱功當(dāng)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(yùn)動,它是一種運(yùn)動?!庇终f:“動力(能量)是自然界的一個不變量。準(zhǔn)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(yùn)動,有時則引起另一種運(yùn)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(jī)的熱力循環(huán)理論以及一種高壓縮型的自燃熱機(jī)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(yán)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(fēng)華正茂,正是將為科學(xué)事業(yè)做出更大貢獻(xiàn)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(dāng)我們坐在以內(nèi)燃機(jī)為動力的舒適的小轎車中的時候;當(dāng)我們看到以內(nèi)燃機(jī)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。