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科学蒙难集 1106-第16章

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5年被倾覆后,拉扎尔被流放国外,直至1823年病死于马格德堡。 拉扎尔的民主共和的思想给卡诺打上了深刻的烙印,他后来遭受的厄运给卡诺造成 了巨大的精神创伤,并导致了社会对卡诺的歧视。
  拉扎尔不仅是一位政治家,而且也是一位科学家。他于1782年、1787年和1803 年先后发表过《通用机器》、《拉扎尔。卡诺数学全休》、《运动和平衡的基本原 理》;在热学及能量守恒与转化定律的发现上,均有所贡献。1807年,他辞去战争 部长的职务,专事对卡诺和卡诺的弟弟伊波利特。卡诺(Hippolyte Carnot)进行 科学教育。
  1812年,萨迪。卡诺考入巴黎理工学院,在那里受教于泊松。盖-吕萨克、安 培和阿喇戈(D。F。Arago)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。
  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。
  破土而出
  由于蒸汽机的发明,工业革命在欧洲逐步兴起来了。蒸汽机正在使法国和蒸汽 机的故乡——英国日益工业化,为它们增加了国力和财力。作为法国人的卡诺亲身 经历了这场蒸汽机革命的冲击,亲眼看到了蒸汽机是怎样促进人类文明向前发展的。 然而,他也看到:人们是知道怎样制造和使用蒸汽机,而对蒸汽机的理论却了解不 够。
  当时的热机工程界对这样两个问题进行着热烈的讨论:(1)热机效率是否有 一极限?(2)什么样的热机工作物质是最理想的?
  在对热机效应缺乏理论认识的情况下,工程师只能就事论事,从热机的适用性 、安全性和燃料的经济性几个方面来改进热机。他们曾盲目采用空气、二氧化碳, 甚至采用酒精来代替蒸汽,试图找到一种最佳的工作物质。这种研究只具有针对性, 而不具备普遍性;从某一热机上获得的最佳数据不能套用于另一热机。这就是当时 热机理论研究的状况。卡诺采用了截然不同的途径,他不是研究个别热机,而是要 寻一种可以作为一般热机的比较标准的理想热机。
  当拉扎尔在1823年8月病故后,卡诺的弟弟回到巴黎,协助卡诺完成了《关于 火的动力》一书的写作,使它在1824年6月12日发表出来。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”。
  值科注意的是,卡诺在1824年论著中借用了“热质”的概念,这是他的理论在 当时受到怀疑的一个重要原因。卡诺之所以要借助于“热质”,是为了便于通过蒸 汽机和水轮机的形象类比来发现热机的规律。在卡诺看来,“热质”正如水从高水 位流下推动水轮机一样,它从高温热源流出以推动活塞,然后进入低温热源。在整 个过程中,推动水轮机的水没有量的损失;同样,推动活塞的“热质”也没有损失。 为了避免混乱,卡诺在谈到热量、或热与机械功的关系时,就不用“热质”一词, 而改用“热”;况且在他后来的研究记录中,他就彻底抛弃了“热质”一词。在一 个很长的时间内,不少人说卡诺是“热质”论者,其实是没有根据的。
  新星陨落
  在《关于火的动力》发表后,卡诺继续研究热机理论。由于巴黎总参谋军团的 改组,他被调回部队。他在部队的时间不到一年,就永远辞去了职务,加在到巴黎 在他父亲遗留下来的私寓里长期定居下来。卡诺性格孤僻而清高,他一生只有可数 的几位好友。在学派林立的巴黎学界,卡诺的厌世情绪越来越严重。
  他父亲的革命思想对他的影响至深,以致使他不满时局而与时代格格不入,这 就更加恶化了他与社会的关系。七月革命爆发了,他一度表现积极,但很快又失望 了。由于他父亲的名气,七月革命党人提名他为巴黎内阁成员。他厌恶这种官衔世 袭的作法,而毅然拒绝了。最后他仍回到自己的书桌前从事科学研究。1831年,卡 诺开始研究气体和蒸汽的物理性质。4832年6月,他患了猩红热,不久后转为脑炎, 他的身体受了致命的打击。后来他又染上了流行性霍乱,竟于同年8月24日被夺去了 生命。
  卡诺去世时年仅36岁,按照当明的防疫条例,霍乱病者的遗物应一律付之一炬。 卡诺生前所写的大量手稿被烧毁,幸得他的弟弟将他的小部分手稿保留了下来。这 部分手稿中有一篇是仅有21页纸的论文——《关于适合于表示水蒸汽的动力的公式 的研究》;其余内容是卡诺在1824-1826年间写下的23篇论文,它们的论题主要集 中在这样三个方面:(1)关于绝热过程的研究;(2)关于用磨擦产生热源;(3) 关于抛弃“热质”学说。卡诺这些遗作直到1878年才由他的弟弟整理发表出来。
  卡诺抛弃“热质”学说的原因,首先是受菲涅耳(A。J。Fresnel,1788- 1827)的影响。菲涅耳认为光和热是一组相似的现象,既然光是物质粒子振动的 结果,那么热也应当是物质粒子振动的结果,是物质的一种运动形式,而不是什么 虚无缥缈没有质量的东西。卡诺接受了菲涅耳的设想,他一方面运用热的动力学 新概念重新审度他在1824年提出的热机理论,发现只要用“热量”一词代替“热质” ,他的理论仍然成立。另一方面,他又深入研究伦福德伯爵(C。Rrmford)和戴维 (H。Davy)的磨擦生热的实验,并计划用实验来揭示在液体或气体中的磨擦热效 应的定量关系,他计算出热功当量为3。7焦耳/卡,比焦耳(JPJoule)的工作超 前将近20年。
  在卡诺去世两年后,《关于火的动力》才获得了第一个认真的读者——克拉派 隆(Emile Claperon)。他是巴黎理工学院的毕业生,只比卡诺低几个年级。1834 年,他在学院出版的杂志上发表了题为《论热的动力》的论文,用P-V曲线翻译了 卡诺循环,但未引起学术界的注意。10年后,英国青年物理学家开耳芬在法国学习 时,偶尔读到克拉派隆的文章,才知道有卡诺的热机理论。然而,他找遍了各图书 馆和书店,都无法找到卡诺的1824年论著。实际上,他在1848年发表的《建立在卡 诺热动力理论基础上的绝对温标》一文,主要根据克拉派隆介绍的卡诺理论来写的。 1849年,开耳芬终于弄到一本他盼望已久的卡诺著作。十余年后,德国物理学家克 劳修斯(R。Clausius)也遇到了同样的困难,他一直没弄到卡诺原著,只是通过 克拉派隆和开耳芬的论文熟悉了卡诺理论。
  这些事实表明,在1824年至1878年间,卡诺的热机理论一直没有得到广泛传播。 卡诺生前的好友罗贝林(Robelin)在法国《百科评论》杂志上曾经这样写道:卡 诺孤独地生活、凄凉地死去,他的著作无人阅读,无人承认。
  现在很难说清学术界是什么时候开始公认卡诺热机理论的,因为在他去世后, 没有任何学术团体或学校授予卡诺任何称号。可以这样说,卡诺的学术地位是随着 热功当量的发现,热力学第一定律、能量守恒与转化定律及热力学第二定律相继被 揭示出来的过程慢慢地形成的;卡诺的理论除了对克拉派隆、开耳芬和克劳修斯等 少数几位物理学家产生过影响外,它在整个物理学界未曾引起过反响。直到1878年 他的《关于火的动力》第二版和他生前遗稿发表后,物理学界才普遍知道了卡诺和 他的理论。不过,那时热力学已经有了迅速发展,他的著作就成了历史遗物,除少 数科学史家和教科书编纂者偶尔翻翻外,没有更多人去认真读它。
  卡诺的理论不仅是热机的理论,它还涉及到热量和功的转化问题,因此也就涉 及到热功当量、热力学第一定律及能量守恒与转化的问题。可以设想,如果卡诺的 理论在1824年就开始得到公认或推广的话,这些定律的发现可能会提前许多年。这 种估计不算过分,根据前面的分析,卡诺至迟在1824-1826年间就计算过热功当量, 这比焦耳的工作要早17~19年。虽然他的计算不够精确,但他的理论见解是正确的。 我们有理由相信,在他那些被烧毁的手稿中可能还有关于热功当量的更精确的计算。
  深刻的启示
  英国著名物理学家麦克斯韦(J。C。Maxwell,1831-1879),对卡诺理论作 过高度评价。他说:卡诺的理论是“一门具有可靠的基础、清楚的概念和明确的边 界的科学”。可是,这个理论的创立者不论在法国学术界还是在法国社会里都未曾 获得多数人的支持。通过对卡诺的历史分析,我们让为卡诺理论的蒙难有如下几个 原因:(1)社会的政治压抑;(2)卡诺的早逝;(3)卡诺生前未能进入某一学 派。
  拉扎尔。卡诺是法国18世纪著名科学家,不论在科学家传记上还是在各种大百 科全书中,现在都有关于他的生平和贡献的记载。按理说,这对于萨迪。卡诺跻身 于法国学术界是一个极为有利的条件。但是,正如前面所说,拉扎尔晚年的不幸以 致客死异乡,在政治上给卡诺以巨大的压抑,加上社
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