热机改造的先驱者

李洪生

在英国，当蒸汽机掀起了第一次工业革命的风暴以后，科学家和技术人员对热机的研究达到了空前的狂热。但是，一般的热学家和力学家都比较重视应用技术的研究。加之如瓦特、戴维这样一些对热力学做过一些开拓工作的人大都是在自学道路上成长起来的，不太擅长于运用数学和物理学的抽象方法进行研究，因此，热力学的真正的理论基础建立者，并不是他们，而是兼有理论科学才能与实验科学才能的法国工程师萨迪·卡诺。

卡诺于1796年6月1日生在巴黎。他的父亲拉查雷·卡诺是法国有名的将军、政治活动家，被称为法国大革命中“胜利的组织家”，曾经发表过关于军事战略方面的论文。父亲在数学、物理方面也有很高的造诣，卡诺自幼受父亲的熏陶，特别是在1807年父亲退出政界和军界以后，便把全部精力都倾注在儿子的学业上，因此卡诺进步非常快。

1812年，16岁的卡诺考入了法国十分著名的巴黎理工学校。这所学校要求很严格，它既重视基础理论的教学，又注意培养学生解决实际问题的能力。它是19世纪法国高等教育和科学研究的中心，成果累累、人才辈出。许多著名的科学家都在这里学习和工作过，卡诺在这里打下了良好的基础。

1814年10月，年仅18岁的卡诺以班上第六名的成绩获得理工学校的毕业文凭。接着，他又到梅斯工兵学校深造。在那里他学习了两年军事工程。1816年，从工兵学校毕业的卡诺到军队中服役，担任少尉军官。卡诺很不适应部队中严格的组织纪律和单调乏味的生活。1820年，卡诺终于离开部队回到巴黎。这时，卡诺又先后在巴黎大学、法兰西学院、矿业学院和巴黎国立工艺博物馆学习物理学、数学和政治经济学。这样，他的理论基础更加雄厚了。

当时，法国的蒸汽机已增加到65台。这个数字虽然并不大，但这使卡诺有可能对蒸汽机进行深入的研究。卡诺发现，从外国进口的蒸汽机尤其是英国制造的蒸汽机在性能方面远远超过法国产的蒸汽机。在研究瓦特蒸汽机的过程中，卡诺最关心的当然是蒸汽机的热效率问题，即热能与机械能之间的转化问题。他发现，蒸汽机在将热能转化为机械能的过程中，除热能转化为机械能这一主要过程之外，还有许多辅助过程。而正是这些辅助过程阻碍了人们对能量转化进行深入研究。于是，卡诺决定舍弃这些辅助过程，采用一种抽象的数理分析方法，着重探讨热能与机械能的转化。运用这种科学方法，卡诺提出了一种理想热机理论，并以这种理想热机理论为基础，设想出一种理想热机。

1824年，28岁的卡诺发表了《关于火的动力及产生这种动力的机器》一文，阐述了他的理想热机理论。这本书里总结了卡诺自己早期的研究成果。在这本书一开始他就谈到了在地球上观察到的许多现象都与热有关。在这篇论文中，卡诺明确指出，热机只能在具有温差的两个热源之间工作。当热从高温热源如瀑布那样流向低温热源时，热机才能做功。热机的效率与工作介质无关而主要取决于两个热源之间的温差。

他说：“我们可以恰当地把热的动力和一个瀑布的动力相比，瀑布的动力依赖于它的高度和水量，热的动力则依赖于所用热素和我们可以称之为热素的下落速度，即交换热素的物体之间的温度差。”卡诺在1824年所论述的这些理论成果，实际上已包括了人们后来总结出来的热力学第二定律：热只能在从高温热源转向低温热源的过程中做功。只是由于卡诺当时还相信热质说，因此对他所发现的这一定律作了错误的理论解释。

在《关于热动力以及热动力机的看法》一书中，卡诺还指出，最好的热机工作物质是在一定的温度范围内膨胀程度最大的物质。也就是说，做为热机工作物质，气体比固体和液体更有前途，具有更大的优点。他看到了气体作为热机工作物质的潜在优点，这就预示了后来乃至今天普遍使用的内燃机的发展。

在初步提出热机理论之后，卡诺又继续进行了一些理论探索工作。此后，他逐渐放弃了热质说，而相信了热动说。这就使他对热能与机械能之间的转化有了新的认识。1830年，卡诺在一篇论文草稿中已明确地采用了热动说。此后，他还在热动说的基础上，根据他对热能与机械能之间的转化所作的研究，最先提出了热功当量的概念。与此同时，他还初步对热功当量进行了测定。虽然他所测得的热功当量的数据并不精确，但这是人们对热功当量的最早的测定。正是在1830年所写的这篇论文草稿中，卡诺明确指出：“热不是别的东西，而是动力（能量），或者可以说是改变了形态运动，它是一种运动。”又说：“动力（能量）是自然界的一个不变量。准确地说，它既不能产生，也不能消灭。实际上它只改变它的形式，也就是说，它有时引起一种运动，有时则引起另一种运动，但决不消灭。”卡诺的这些论述说明，他已接近发现热力学第一定律，并在这以前实际上已发现了热力学第二定律，并以这些发现为基础，提出了理想热机的热力循环理论以及一种高压缩型的自燃热机的设想，他正式奠定了热力学的理论基础。而他的热力学成就也就为能量守恒和转化定律的发现直接铺平了理论道路。

1832年6月，卡诺不幸得了猩红热，接着又患脑膜炎，最后又染上了流行性霍乱。在这些严重疾病的袭击下，他于同年8月24日逝世，终年仅36岁。正是风华正茂，将为科学事业做出更大贡献的关键时刻，病魔却夺去了这位年轻的物理学家的生命。而他的遗稿直到1878年才公开发表。

今天，当我们坐在以内燃机为动力的舒适的小轿车中的时候，当我们看到以内燃机为动力的大卡车穿行于马路中央时，我们不会忘记，年轻的法国物理学家卡诺曾为之付出了毕生的心血。

人教版物理九年级全一册第十四章《内能的利用》课外阅读延伸