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天妒英才-早逝的卡诺和“火动力学”

已有 14327 次阅读 2016-6-8 08:41 |个人分类:系列科普|系统分类:科普集锦

《热统系列》

1. 天妒英才-早逝的卡诺和“火动力学”

人类历史上早逝的科学家不少。二、三十岁便匆匆离世,过早地踏上黄泉之路,而又往往在他们短短的有生之年,爆发出照耀数百年的生命之光辉。如彗星一瞬,似昙花一现,不由得令人扼腕叹息,唏嘘不已。

挪威数学家阿贝尔27岁时因贫病交加而去世,法国数学家伽罗瓦21岁时死于一次决斗。这两位少年天才都是群论的先驱者,他们令人瞩目的工作为数学领域开创了一片崭新的天地,也影响和促进了其他学科的发展,比如说,他们创建的群论如今已成为理论物理中必不可缺的数学概念。

物理学中也有几位早逝的开创者,在物理的不同领域竖立起了高高的里程碑。

德国物理学家海因里希·赫兹(Heinrich Hertz1857年-1894年)被誉为“电磁波之父”,却只活了37年便死于败血症。他证实了电磁波的存在,造福于包括我们在内的亿万子孙后代。如今的人类,实在难以想象没有电磁波的时代。

被誉为“热力学之父”的卡诺,也是在36岁时英年早逝。

热是什么?如今的初中学生就能回答:“是能量的一种形式”。然而,科学家们得到这个结论,却经过了漫长的历程。人类对冷热的感觉和认识固然由来已久,对“热动力”的最早利用,甚至于可以追溯到公元之前。比如中国古代发明的许多玩具,都是用“热”来产生动力。秦朝就有的蟠螭灯,灯燃鳞甲皆动,之后发展成 “走马灯”,车马人流,旋转如飞,动力从哪儿来?便是利用冷热空气的对流而产生。唐代出现的烟火类玩物、宋朝的“火箭”,利用燃料燃烧后再向后喷射出来产生的反作用力,以推动物体朝前发射而“上天”,当之无愧地成为近代航天技术的最原始“老祖宗”。

西方古代也有“老祖宗”级别的贡献,比如,世界上第一台蒸汽机的雏形便是由古希腊数学家希罗于1世纪发明的汽转球。一千多年之后,经过17世纪几位物理学家研究出模型,英国人瓦特在1769年进行了关键性的改进,继而引发和促成了轰轰烈烈的第一次工业革命。

当年的“热动力”在工程技术方面的大量应用,提出了热机的效率问题,这个难题使卡诺走上了热机理论研究的道路,成为解决此问题的先驱。

尼古拉·卡诺(Nicolas Carnot1796 - 1832年)是法国的一个青年工程师,出生于法国大革命和拿破仑夺权之间的动乱年代。卡诺的父亲既是一个活跃的政治家,又是一位对机械和热学颇有研究的科学家。卡诺的父亲曾经在政府中身居要职,但晚年被流放国外,病死他乡。这一切对卡诺影响巨大。父亲教给他科学知识,使年轻的卡诺兼具理论才能和实验技巧。但父亲政治上的厄运也给他的性格和生涯蒙上了一层阴影,以至于他的生前好友罗贝林(Robelin)在法国《百科评论》杂志上这样描述他:“卡诺孤独地生活、凄凉地死去,他的著作无人阅读,无人承认。”

卡诺留给后世唯一的一部著作《论火的动力》,虽然在卡诺生前已经在他弟弟的帮助下用法文自费出版,但没有引起学界的重视,因无人阅读,卖出不多就绝版了。加之几年后卡诺不幸患了猩红热,转为脑炎,后来又染上了流行性霍乱被夺去了生命。霍乱是可怕的传染病,死者的遗物包括卡诺的大量尚未发表的研究论文手稿,全部被付之一炬。在卡诺去世两年之后,他的书才有了第一个认真的读者,那是比卡诺小3岁的巴黎理工学院的校友克拉贝隆。克拉贝隆发表论文介绍卡诺的理论,并用自己的p-v图的方式来解释它,见下图。后来发展研究热力学的两位物理学家:开尔文和克劳修斯,隐隐约约知道有个卡诺,却都找不到卡诺的原始著作,而都是通过克拉贝隆的介绍文章,才知道卡诺的热机理论的。


卡诺将热机做功的过程总结成包括两个等温过程和两个绝热过程的卡诺循环,即提出了由绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩和等温膨胀4个步骤构成的“理想热机”,如上面右图所示。所谓“理想”的意思是说:卡诺循环是可逆循环,而实际上的热机过程是不可逆的。卡诺的理论如今说起来再简单不过,但在当年却抓住了热机的本质,也成为热力学的第一块奠基石。因此,当今的热力学教科书中仍然介绍卡诺循环和卡诺定理。

卡诺的工作可归结于三个方面:

a. 卡诺第一个指出,热机必须工作于两个不同的温度之间,热机的效率是两个温度差别的函数。卡诺得到这个结果是继承了父亲过去研究水力机的思路。父亲认为“水力机能产生的最大能量与落差有关”,这个想法启发卡诺得到“蒸汽机能得到的最大能量与温度差有关”的结论。虽然他尚未得出热机效率与温差的正确关系,但这个思路将人们改进热机效率的努力引导到正确而理性的方向,从此后有了理论模型,不再是像过去那样盲目地试验,从而避免浪费经费制造许多粗糙而复杂的机器,对工业革命的发展起了重要的推动作用。

b. 卡诺的理论当时是在“热质说”的基础上作出的,那是当时物理界对热现象的解释,认为热是一种类似物质的东西,从高温物体流向低温物体。卡诺相信热质说的另一个原因是因为上面所说的,他将“热流”与水流类比。不过,卡诺当时在菲涅耳的影响下,已经逐渐有了抛弃“热质说”的思想,菲涅耳将热与光类比,认为两者都是物质粒子振动的结果。卡诺认为热机是从高温热源T1吸取热量Q1,然后,向低温热源T2释放热量Q2,而热机对外所作的功则为:W= Q1- Q2,这儿已经暗指热量与功是相当的,可以互相转换。卡诺甚至还计算出了热功当量的值,他计算出热功当量为3.7焦耳/卡,比焦耳的工作超前近20年。因此可以说,当时的卡诺已开始考虑能量守恒与转化的问题,几乎已经走到了热力学第一定律的边沿。

c. 提出了卡诺定理:“所有工作在同温热源与同温冷源之间的热机,可逆热机的效率最高”。卡诺定理实质上可以看作是热力学第二定律的理论来源。

根据上面所述,卡诺对热力学做出了不凡的贡献。他不仅解决了热机效率的工程问题,而且开创了热力学这门物理新学科,如果他不是英年早逝的话,很有可能是最早提出热力学第一、第二定律的人。




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