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「熱力學之父」卡諾誕辰 │ 科學史上的今天:06/01

出生於法國大革命時期的物理學家卡諾(Nicolas Sadi Carnot, 1796-1832)只活了短短 36 個寒暑,並且一生只出版了一本著作《論火的動力》,總結他對蒸汽機的思考。他在世時,這本書始終未引起注意,他滿腔熱血的研究完全沒有引起任何迴響,就這麼孤獨的死去。但後來他的著作又被重新發現,而今我們稱他為「熱力學之父」……。

卡諾是將軍之子。他的父親拉札爾 · 卡諾(Lazare Carnot)不但在法國大革命扮演要角,還在拿破崙掌權後位居高職。但拉札爾同時也是位傑出的數學家,因此卡諾進入專門培養軍中工程師的巴黎綜合理工學院,並於 1814 年畢業後加入軍隊,應是父親的有意栽培。無奈第二年拿破崙於滑鐵盧戰役輸掉英法戰爭後,失去政權,慘遭放逐,拉札爾也因此被放逐至德國,從此無法返國。

1821 年,卡諾前往德國探視父親。拉札爾語重心長地鼓勵他研究蒸汽機,因為法國製造的蒸汽機效率遠不如英國,若無法加以改進,國力就永遠無法與英國匹敵。卡諾返回巴黎後,自此全心研究蒸汽機。

打從瓦特改良的蒸汽機問世後,人們即不斷試圖改進,但半世紀以來都只能瞎子摸象般地嘗試錯誤,從來不曾探討其根本的科學原理。這是因為大家對於熱、能量、作功這些基本觀念都還懵懵懂懂,根本不知該如何描述蒸汽機運作過程中的種種變化。

卡諾的突破在於以理想化的熱機模型思考蒸汽引擎的工作原理。他想像汽缸裡面的氣體經由等溫膨脹、絕熱膨脹、等溫壓縮、絕熱壓縮四個過程不斷循環(稱為卡諾循環),而帶動活塞作功。他證明這樣的引擎效率只取決於此過程的高低溫溫度,與其它因素無關,而且不可能有其它引擎比他這個熱機模型效率更高(稱為卡諾定理)。

卡諾於 1824 年出版《論火的動力》詳述他的研究心得,但這些學術理論無人聞問,他未能如願幫助提昇法國的蒸汽機技術,即於 36 歲感染霍亂過世。1848 年,英國物理學家開爾文爵士根據卡諾定理引進絕對溫標;1850 年,德國物理學家克勞修斯根據卡諾的研究發表熱力學第一定律與第二定律;1893 年,德國發明家狄塞爾(Rudolf Diesel)根據卡諾循環發明柴油引擎。

卡諾在世時看似無用的學術理論終究證明了其用大也,而且得到的是國際性的認同。

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。