“卡诺热机”、“卡诺循环”和“卡诺定理”

卡诺萨迪•卡诺（N．L．Sadi Carnot，1796－1832），法国物理学家、工程师。毕业于巴黎综合工科学校。1824年提出了卡诺循环和卡诺定理，是以后建立热力学第二定律的重要基础。卡诺循环是热机最理想的循环。

今天，“卡诺热机”、“卡诺循环”和“卡诺定理” ，已是大家所熟悉的科学名词了。卡诺创立的理想热机理论，不仅在热机工程界受到普遍重视，而且被列为物理学领域的一项重大发现。

在英国，当瓦特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。加之像瓦特、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数理抽象方法进行研究，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、军界以后，便把自己的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岁的卡诺考入了在法国十分著名的巴黎理工学校。在那里受教于泊松、盖－吕萨克、安培和阿拉果这样一批卓有成就的老师。他主要攻读了分析数学、分析力学、画法几何和化学。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、人材辈出。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。1819年，他考上了巴黎总参谋军团。该军团处于初创期，组织还十分松散，卡诺借此机会一边进行科学研究，一边在法兰西学院听一些新课程。这时他对工业经济产生了浓厚兴趣，他走访了许多工厂，研究了政治经济学的最新理论。他发现，热机效率低是当时工业的一个难题。这个问题此导他走上了热机理论研究的道路。

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。卡诺在这部著作中提出了“卡诺热机”和“卡诺循环”的概念及“卡诺原理”（现在称为“卡诺定理”）。根据卡诺热机理论，“卡诺热机”是一切工作于相同高温热源和低温热源之间的热机中效率最高的热机，是一种理想热机；“卡诺循环”是一种可逆循环，按照现在的术语来说，是熵保持不变的循环。“卡诺原理”是说：“热动力与用来产生它的工作物质无关，它的量唯一地由在它们之间产生效力的物体（热源）的温度来确定，最后还与热质的输运量有关。”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。当热从高温热源像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。
 

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