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革命的風暴以后，科學家和技術人員對熱機的研究達到了空前的狂熱。但是，一般的熱學家和力學家都比較重視應用技術的研究。加之像瓦特、戴維這樣一些對熱力學做過一些開拓工作的人大都是在自學道路上成長起來的，不太擅于運用數學和物理學的數理抽象方法進行研究。因此，熱力學的真正的理論基礎建立者，并不是他們，而是兼有理論科學才能與實驗科學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”，曾經發表過關于軍事戰略方面的論文。父親在數學、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業上，因此卡諾進步非常快。

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

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校的畢業文憑。接著，他又到梅斯工兵學校深造。在那里他學習了兩年軍事工程。1816年，從工兵學校畢業的卡諾到軍隊中服役，擔任少尉軍官。卡諾很不適應部隊中嚴格的組織紀律和單調乏味的生活。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、法蘭西學院、礦業學院和巴黎國立工藝博物館學習物理學、數學和政治經濟學。這樣，他的理論基礎更加雄厚了。

當時，法國的蒸汽機已增加到65臺。這個數字雖然并不大，但這使卡諾有可能對蒸汽機進行深入的研究。卡諾發現，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的蒸汽機。在研究瓦特蒸汽機的過程中，卡諾最關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化問題。他發現，蒸汽機在將熱能轉化為機械能的過程中，除熱能轉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，采用一種抽象的數理分析方法，著重探討熱能與機械能的轉化。運用這種科學方法，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，設想出一種理想熱機。

1824年，28歲的卡諾發表了《關于火的動力及產生這種動力的機器》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象都與熱有關。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無關而主要取決于兩個熱源之間的溫差。

他說：“我們可以恰當地把熱的動力和一個瀑布的動力相比，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。”卡諾在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出來的熱力學第二定律：熱只能在從高溫熱源轉向低溫熱源的過程中做功。只是由于卡諾當時還相信熱質說，因此對他所發現的這一定律作了錯誤的理論解釋。

在《關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是在一定的溫度范圍內膨脹程度最大的物質。也就是說，作為熱機工作物質，氣體比固體和液體更有前途，具有更大的優點。他看到了氣體作為熱機工作物質的潛在優點，這就預示了后來乃至今天普遍使用的內燃機的發展。

在初步提出熱機理論之后，卡諾又繼續進行了一些理論探索工作。此后，他逐漸放棄了熱質說，而相信了熱動說。這就使他對熱能與機械能之間的轉化有了新的認識。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上，根據他對熱能與機械能之間的轉化所作的研究，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據并不精確，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運動，它是一種運動。”又說：“動力（能量）是自然界的一個不變量。準確地說，它既不能產生，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。”卡諾的這些論述說明，他已接近發現熱力學第一定律，并在這以前實際上已發現了熱力學第二定律，并以這些發現為基礎，提出了理想熱機的熱力循環理論以及一種高壓縮型的自燃熱機的設想，正式奠定了熱力學的理論基礎。而他的熱力學成就也為能量守恒和轉化定律的發現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，正是將為科學事業做出更大貢獻的關鍵時刻，病魔卻奪去了這位年輕的物理學家的生命。而他的遺稿直到1878年才公開發表。

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