李洪生

在英國(guó)，當(dāng)瓦特蒸汽機(jī)掀起了第一次工業(yè)革命的風(fēng)暴以后，科學(xué)家和技術(shù)人員對(duì)熱機(jī)的研究達(dá)到了空前的狂熱。但是，一般的熱學(xué)家和力學(xué)家都比較重視應(yīng)用技術(shù)的研究。加之像瓦特、戴維這樣一些對(duì)熱力學(xué)做過(guò)一些開拓工作的人大都是在自學(xué)道路上成長(zhǎng)起來(lái)的，不太擅于運(yùn)用數(shù)學(xué)和物理學(xué)的數(shù)理抽象方法進(jìn)行研究。因此，熱力學(xué)的真正的理論基礎(chǔ)建立者，并不是他們，而是兼有理論科學(xué)才能與實(shí)驗(yàn)科學(xué)才能的法國(guó)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(guó)有名的將軍、政治活動(dòng)家，被稱為法國(guó)大革命中“勝利的組織家”，曾經(jīng)發(fā)表過(guò)關(guān)于軍事戰(zhàn)略方面的論文。父親在數(shù)學(xué)、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(xué)業(yè)上，因此卡諾進(jìn)步非?？?。

1812年，16歲的卡諾考入了法國(guó)十分著名的巴黎理工學(xué)校。這所學(xué)校要求很嚴(yán)格，它既重視基礎(chǔ)理論的教學(xué)，又注意培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。它是19世紀(jì)法國(guó)高等教育和科學(xué)研究的中心，成果累累、人才輩出。許多著名的科學(xué)家都在這里學(xué)習(xí)和工作過(guò)，卡諾在這里打下了良好的基礎(chǔ)。

1814年10月，年僅18歲的卡諾以班上第六名的成績(jī)獲得理工學(xué)校的畢業(yè)文憑。接著，他又到梅斯工兵學(xué)校深造。在那里他學(xué)習(xí)了兩年軍事工程。1816年，從工兵學(xué)校畢業(yè)的卡諾到軍隊(duì)中服役，擔(dān)任少尉軍官?？ㄖZ很不適應(yīng)部隊(duì)中嚴(yán)格的組織紀(jì)律和單調(diào)乏味的生活。1820年，卡諾終于離開部隊(duì)回到巴黎。這時(shí)，卡諾又先后在巴黎大學(xué)、法蘭西學(xué)院、礦業(yè)學(xué)院和巴黎國(guó)立工藝博物館學(xué)習(xí)物理學(xué)、數(shù)學(xué)和政治經(jīng)濟(jì)學(xué)。這樣，他的理論基礎(chǔ)更加雄厚了。

當(dāng)時(shí)，法國(guó)的蒸汽機(jī)已增加到65臺(tái)。這個(gè)數(shù)字雖然并不大，但這使卡諾有可能對(duì)蒸汽機(jī)進(jìn)行深入的研究?？ㄖZ發(fā)現(xiàn)，從外國(guó)進(jìn)口的蒸汽機(jī)尤其是英國(guó)制造的蒸汽機(jī)在性能方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)法國(guó)產(chǎn)的蒸汽機(jī)。在研究瓦特蒸汽機(jī)的過(guò)程中，卡諾最關(guān)心的當(dāng)然是蒸汽機(jī)的熱效率問(wèn)題，即熱能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化問(wèn)題。他發(fā)現(xiàn)，蒸汽機(jī)在將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程中，除熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能這一主要過(guò)程之外，還有許多輔助過(guò)程。而正是這些輔助過(guò)程阻礙了人們對(duì)能量轉(zhuǎn)化進(jìn)行深入研究。于是，卡諾決定舍棄這些輔助過(guò)程，采用一種抽象的數(shù)理分析方法，著重探討熱能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。運(yùn)用這種科學(xué)方法，卡諾提出了一種理想熱機(jī)理論，并以這種理想熱機(jī)理論為基礎(chǔ)，設(shè)想出一種理想熱機(jī)。

1824年，28歲的卡諾發(fā)表了《關(guān)于火的動(dòng)力及產(chǎn)生這種動(dòng)力的機(jī)器》一文，闡述了他的理想熱機(jī)理論。這本書里總結(jié)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(xiàn)象都與熱有關(guān)。在這篇論文中，卡諾明確指出，熱機(jī)只能在具有溫差的兩個(gè)熱源之間工作。當(dāng)熱從高溫?zé)嵩慈缙俨寄菢恿飨虻蜏責(zé)嵩磿r(shí)，熱機(jī)才能做功。熱機(jī)的效率與工作介質(zhì)無(wú)關(guān)而主要取決于兩個(gè)熱源之間的溫差。

他說(shuō)：“我們可以恰當(dāng)?shù)匕褵岬膭?dòng)力和一個(gè)瀑布的動(dòng)力相比，瀑布的動(dòng)力依賴于它的高度和水量，熱的動(dòng)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?！笨ㄖZ在1824年所論述的這些理論成果，實(shí)際上已包括了人們后來(lái)所總結(jié)出來(lái)的熱力學(xué)第二定律：熱只能在從高溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)向低溫?zé)嵩吹倪^(guò)程中做功。只是由于卡諾當(dāng)時(shí)還相信熱質(zhì)說(shuō)，因此對(duì)他所發(fā)現(xiàn)的這一定律作了錯(cuò)誤的理論解釋。

在《關(guān)于熱動(dòng)力以及熱動(dòng)力機(jī)的看法》一書中，卡諾還指出，最好的熱機(jī)工作物質(zhì)是在一定的溫度范圍內(nèi)膨脹程度最大的物質(zhì)。也就是說(shuō)，作為熱機(jī)工作物質(zhì)，氣體比固體和液體更有前途，具有更大的優(yōu)點(diǎn)。他看到了氣體作為熱機(jī)工作物質(zhì)的潛在優(yōu)點(diǎn)，這就預(yù)示了后來(lái)乃至今天普遍使用的內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展。

在初步提出熱機(jī)理論之后，卡諾又繼續(xù)進(jìn)行了一些理論探索工作。此后，他逐漸放棄了熱質(zhì)說(shuō)，而相信了熱動(dòng)說(shuō)。這就使他對(duì)熱能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化有了新的認(rèn)識(shí)。1830年，卡諾在一篇論文草稿中已明確地采用了熱動(dòng)說(shuō)。此后，他還在熱動(dòng)說(shuō)的基礎(chǔ)上，根據(jù)他對(duì)熱能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化所作的研究，最先提出了熱功當(dāng)量的概念。與此同時(shí)，他還初步對(duì)熱功當(dāng)量進(jìn)行了測(cè)定。雖然他所測(cè)得的熱功當(dāng)量的數(shù)據(jù)并不精確，但這是人們對(duì)熱功當(dāng)量的最早的測(cè)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(dòng)力（能量），或者可以說(shuō)是改變了形態(tài)運(yùn)動(dòng)，它是一種運(yùn)動(dòng)?！庇终f(shuō)：“動(dòng)力（能量）是自然界的一個(gè)不變量。準(zhǔn)確地說(shuō)，它既不能產(chǎn)生，也不能消滅。實(shí)際上它只改變它的形式，也就是說(shuō)，它有時(shí)引起一種運(yùn)動(dòng)，有時(shí)則引起另一種運(yùn)動(dòng)，但決不消滅。”卡諾的這些論述說(shuō)明，他已接近發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)第一定律，并在這以前實(shí)際上已發(fā)現(xiàn)了熱力學(xué)第二定律，并以這些發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)，提出了理想熱機(jī)的熱力循環(huán)理論以及一種高壓縮型的自燃熱機(jī)的設(shè)想，正式奠定了熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)。而他的熱力學(xué)成就也為能量守恒和轉(zhuǎn)化定律的發(fā)現(xiàn)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(yán)重疾病的襲擊下，他于同年8月24日逝世，終年僅36歲。這時(shí)他風(fēng)華正茂，正是將為科學(xué)事業(yè)做出更大貢獻(xiàn)的關(guān)鍵時(shí)刻，病魔卻奪去了這位年輕的物理學(xué)家的生命。而他的遺稿直到1878年才公開發(fā)表。

今天，當(dāng)我們坐在以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的舒適的小轎車中的時(shí)候；當(dāng)我們看到以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的大卡車川流于馬路中央時(shí)，我們不會(huì)忘記，年輕的法國(guó)物理學(xué)家卡諾曾為之付出畢生的心血。