熱機改造的先驅(qū)者

李洪生

在英國，當(dāng)蒸汽機掀起了第一次工業(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。加之如瓦特、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，不太擅長于運用數(shù)學(xué)和物理學(xué)的抽象方法進(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年父親退出政界和軍界以后，便把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(jìn)行深入的研究?？ㄖZ發(fā)現(xiàn)，從外國進(jìn)口的蒸汽機尤其是英國制造的蒸汽機在性能方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dāng)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(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(dāng)熱從高溫?zé)嵩慈缙俨寄菢恿飨虻蜏責(zé)嵩磿r，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(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，做為熱機工作物質(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(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(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，他正式奠定了熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)。而他的熱力學(xué)成就也就為能量守恒和轉(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。正是風(fēng)華正茂，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)燃機為動力的大卡車穿行于馬路中央時，我們不會忘記，年輕的法國物理學(xué)家卡諾曾為之付出了畢生的心血。

人教版物理九年級全一冊第十四章《內(nèi)能的利用》課外閱讀延伸