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尼古拉·萊昂納爾·薩迪·卡諾 Nicolas Léonard Sadi Carnot
出生	1796年6月1日 法國巴黎杜佩蒂特宮盧森堡
逝世	1832年8月24日（36歲） 法國巴黎
居住地	法國
國籍	法國
母校	巴黎理工學院
知名於	卡諾熱機 卡諾循環 卡諾定理 卡諾效率
科學生涯
研究領域	物理學
機構	巴黎總參謀軍團

尼古拉·萊昂納爾·薩迪·卡諾（Nicolas Léonard Sadi Carnot，1796年6月1日－1832年8月24日），法國物理學家、工程師，常被形容為「熱力學之父」。

尼古拉·卡諾在1824年6月12日發表了他唯一的出版著作《論火的動力》（《Reflections on the Motive Power of Fire》）。卡諾在這部著作中提出了卡諾熱機和卡諾循環概念及「卡諾原理」（現在稱為卡諾定理）。

在卡諾的一生中，他的研究不曾引起外界關注。卡諾生前的好友羅貝林（Robelin）在法國《百科評論》雜誌上曾經這樣寫道：「卡諾孤獨地生活、淒涼地死去，他的著作無人閱讀，無人承認。」不過後來他的理論被魯道夫·克勞修斯和威廉·湯姆森重新陳述，是建立熱力學第二定律的正式定義熵的概念的重要基礎。《論火的動力》這部著作也成為熱力學成為現代科學的標誌。

1832年，他染上了流行性霍亂，在同年8月24日被奪去了生命，病逝於巴黎，年僅36歲。

生平

1796年6月1日，尼古拉·萊昂納爾·薩迪·卡諾出生於法國巴黎杜佩蒂特宮盧森堡。出生在一個傑出的科學和政治家庭。他是法國大革命時期著名的，傑出的數學家，軍事工程師和法國革命軍領袖拉扎爾·卡諾的長子。尼古拉·萊昂納爾·薩迪·卡諾名字中的「薩迪」（Sadi），是拉扎爾·卡諾從波斯詩人Sadi of Shiraz的名字中取的，生活中他一直被稱為「薩迪」（Sadi）。法國政治家左派議員伊波利特·卡諾（Hippolyte Carnot）的哥哥。法蘭西第三共和國的第四任總統瑪利·弗朗索瓦·薩迪·卡諾則是他侄子。

1812年，薩迪·卡諾在16歲時，考入巴黎綜合理工學院，成為一名軍校學員，他同期的同學包括米歇爾·沙勒（Michel Chasles）和賈斯帕-古斯塔夫·科里奧利。理工學院的當時目的是培訓工程師為軍事服務，但是由於在學院任教的多位著名科學家包括安德烈-瑪麗·安培，約瑟夫·傅里葉，約瑟夫·路易·蓋-呂薩克，西莫恩·德尼·泊松等，學院的數學教育十分突出。薩迪在1814年畢業後，成為了法國軍隊中工程師兵團的一名官員。

卡諾的父親拉扎爾·卡諾（Lazare Carnot）在法國大革命和拿破崙第一帝國時代擔任要職。他先後是羅伯斯庇爾（Robe-spierre）的十二人公安委員會的成員之一、拿破崙第一執政手下的戰爭部長及滑鐵盧戰役前百日王朝的內政部長。當拿破崙帝國在1815年被傾覆後，拉扎爾被流放國外。在路易十八復辟的波旁王朝君主政體下，薩迪在軍隊中變得越來越難立足。

1819年，薩迪調職到新成立的巴黎總參謀部。他仍然為軍事任務服務，但從那時起，他開始將他大部分的注意力致力於他私下的研究，他當時只能得到三分之二的工資。卡諾結識了科學家尼古拉斯·克萊門特和他一起出席關於物理學和化學的講座。這時他對蒸汽機性能改進的局限性產生了興趣，這個問題引導他走上了熱機理論研究的道路。並且在1824年發表了他的著作《論火的動力》（《Reflections on the Motive Power of Fire》）。

1828年，卡諾在沒有得到退休金的情況下從軍隊退役。1832年，他因患上了「躁狂症」和「譫妄」而被拘留在私人庇護所里。之後不久，他染上霍亂，病逝在塞納河畔伊夫裡的醫院，年僅36歲。

《論火的動力》

背景

當卡諾開始淮備編寫這部著作時，蒸汽機對經濟和工業的重要性已經取得了廣泛的認可，但是一直沒有關於控制蒸汽機把熱轉變為機械運動的各種因素的科學研究。在一個多世紀前的1712年，托馬斯·紐科門發明了第一台活塞式蒸汽機，而大約50年後的1769年，詹姆斯·瓦特改良出的工業蒸汽機，大大提高了蒸汽機的效率和實用性。當時已經發明了複合引擎，甚至已經出現了原始形式的內燃機，這些發明卡諾都很熟悉，而他也在他的著作中描述其中的一些細節。然而，他也看到：人們知道怎樣製造和使用蒸汽機，卻幾乎沒有關於蒸汽機運作的科學理論。

在1824年，能量守恆定律的原則仍然存在爭議，熱力學第一定律的確切措辭理論成形還需要數個十年之久; 熱功當量再過二十年都不會被制定。關於熱力的理論是熱量的理論，把熱作為一種當失去平衡時流動的失重和無形的流體。卡諾時代的工程師曾嘗試通過使用高壓蒸汽和流體的方式來提高發動機的效率。在當時引擎開發的早期階段，一個合格的發動機的效率，燃料能夠做到的有效利用，只有3％。

卡諾循環

Carnot-engine-1824.一個卡諾熱機，其中abcd為圓柱的容器，cd為活塞，而A和B為二個固定溫度的機構。圓柱容器可位在同時接觸二機構的位置，或是如圖所示，位在不和任一機構接觸的位置]] 卡諾試圖回答有關熱機的操作兩個問題：「熱機效率是否有一極限？」和「是否有其他一些更理想的工作液體或氣體取代蒸汽來加熱引擎？」。

1824年，當時的他28歲，他試圖在研究調查報告中回答這些問題，使他出版的是一本受歡迎的作品，《論火的動力》。書中覆蓋了相當大部分當時的熱機工程界引起廣泛討論的關於熱引擎的議題;他呼籲在一些涉及演算的論點，除了在腳註中，方程式可以最低限度的減少，並多一點簡單的代數和算術運算。他討論了空氣和蒸汽作為工作流體的相對優點，各種蒸汽機設計的優點，以及一些他自己關於改良蒸汽機的效率和實用性的想法。這本書最重要的部分，是專門摘要介紹了一種理想化的，可以普遍適用於所有的熱機的比較標淮的發動機，用來理解和闡明熱機的基本原則。

也許卡諾對熱力學最重要的貢獻是他關於蒸汽機抽象的本質特徵描述，在他的那一天，人們開始進入一個更普及的和理想化的熱力發動機時代。這建造了一個可以作出精確計算的熱力學系統模型，並避免了由許多當代蒸汽機的粗糙造成的複雜化使用。通過理想化的發動機，他原來的兩個問題就可以得到明確並且無可爭議的答案。

他指出，這種理想化的發動機的效率是兩個溫度之間的一個函數。然而，他並沒有給該函數的確切形式，後來證明是（T1-T2）/ T1，其中，T_1、T_2為熱力學溫標下高、低溫熱源溫度。（註：這個公式可能來自開爾文）。無熱的發動機給定相同的操作溫度。可以更有效率地操作。

卡諾循環之所以是最有效的發動機，不僅是因為沒有摩擦和其他附帶浪費進程;主要的原因是，它不承擔在不同溫度下的發動機部件之間的熱傳導。卡諾知道，在不同溫度下的機構之間的熱傳導是一種浪費和不可逆的過程，如果熱機要達到最高的效率，必須消除。

關於第二個問題，他也相當肯定發動機是否能達到最大效率並不依賴於工作物質的確切性質。他認為作為這個命題的重點：「熱動力是獨立的;其僅由溫度的機構之間的熱量的轉移發生的數量是固定的」。對於他的「熱的動力」，我們會說：「一個可逆熱機的效率」，我們會說：「熱的可逆轉讓」，而不是「熱量的轉讓」。他憑直覺知道，他的引擎將有最高的效率，但無法說出效率會是多少。

卡諾定理

根據卡諾定理，則（1）所有不可逆的熱機，其熱效率會比使用相同高溫和低溫熱源的卡諾熱機要低。（2）所有可逆的熱機，其熱效率會等於相同高溫和低溫熱源的卡諾熱機。

上式的熱效率是指熱機產生的功和高溫熱源提供能量的比值。

上述定律其實是熱力學第二定律的結果。不過當初卡諾在推導此定律時是以熱質說為基礎，魯道夫·克勞修斯和威廉·湯姆森則以此定律為基礎進一步闡述建立熱力學第二定律正式定義熵的概念。

逝世與影響

卡諾在1832年死於當時爆發的霍亂疫情期間，去世時只有36歲。由於霍亂的傳染性，按照當時的防疫條例，霍亂病者的遺物應一律付之一炬。卡諾的許多物品和生前所寫的大量手稿被燒毀，因此，他的科學著作只有極少數倖存下來。

在卡諾去世兩年後，《論火的動力》才獲得了第一個認真的讀者–埃米爾·克拉佩龍。他是巴黎理工學院的畢業生，只比卡諾低幾個年級。1834年，他在學院出版的雜誌上發表了題為《論熱的動力》的論文，用P－V曲線翻譯了卡諾循環，但未引起學術界的注意。10年後，英國青年物理學家威廉·湯姆森在法國學習時，偶爾讀到埃米爾·克拉佩龍的文章，才知道有卡諾的熱機理論。

然而，他找遍了各圖書館和書店，都無法找到卡諾的1824年論著。實際上，他在1848年發表的《建立在卡諾熱動力理論基礎上的絕對溫標》一文，主要根據埃米爾·克拉佩龍介紹的卡諾理論來寫的。1849年，威廉·湯姆森才終於弄到一本他盼望已久的卡諾著作。十餘年後，德國物理學家魯道夫·克勞修斯也遇到了同樣的困難，他一直沒弄到卡諾原著，只是通過埃米爾·克拉佩龍和威廉·湯姆森的論文熟悉了卡諾理論。

可以這樣說，卡諾的學術地位是隨着熱功當量的發現，熱力學第一定律、能量守恆和轉化定律及熱力學第二定律相繼被揭示出來的過程慢慢地形成的；卡諾的理論除了對埃米爾·克拉佩龍、魯道夫·克勞修斯和威廉·湯姆森等少數幾位物理學家產生過影響外，它在整個物理學界未曾引起過反響。

深刻啟示

英國著名物理學家麥克斯韋(J.C.Maxwell，1831-1879)，對卡諾理論作過高度評價。他說:"卡諾的理論是"一門具有可靠的基礎、清楚的概念和明確的邊界的科學"。可是，這個理論的創立者不論在法國學術界還是在法國社會裡都未曾獲得多數人的支持。通過對卡諾的歷史分析，我們讓為卡諾理論的蒙難有如下幾個原因:(1)社會的政治壓抑;(2)卡諾的早逝;(3)卡諾生前未能進入某一學派。

卡諾是法國18世紀著名科學家，不論在科學家傳記上還是在各種大百科全書中，都有關於他的生平和貢獻的記載。按理說，這對於薩迪·卡諾躋身於法國學術界是一個極為有利的條件。但是，正如前面所說，拉扎爾晚年的不幸以致客死異鄉，在政治上給卡諾以巨大的壓抑，加上社會對卡諾的歧視，迫使卡諾加避社會而遠離了他應當加入的社會或科學團體，使他變成一位不歸附任何名門的游離分子。孤獨地生活、勤奮地工作又摧毀了他的身心。致使他過早去世。

去世後，也沒有一位法國學術權威對他的工作作過任何評價，而克拉珀龍在當時只不過是一個"無名小卒"，他對卡諾理論的翻譯和解釋在法國沒有產生反響。

19世紀初，法國物理學界中頗具影響的人物一般集中在巴黎理工學院和法蘭西學院，他們之中威望最高的要數拉普拉斯(P.S.Laplace，1749-1827);以拉普拉斯為首的物理學派左右了法國物理學的方向，凡是比較成功的理論幾乎都經過拉普拉斯的評閱和推薦。最明顯的例子是畢奧(J.B.Biot)??薩伐爾(F Savart)定律，這個定律是在拉普拉斯指導下，由他的學生畢奧和薩伐爾通過幾個實驗發現的，一經公布就得到推廣，很快就在教科書里出現了。

另一個例子是菲涅耳的光波動理論。雖然菲涅耳也死得過早，但他在生前已與法國物理學界取得聯繫，得到像阿拉果這樣一些權威人士的贊助，因此菲涅耳理論能夠產生及時的影響。

卡諾理論的蒙難歷史告訴我們，為了科學技術的迅速發展，我們不僅要加倍注意人才的開發，而且要給與那些還沒有確定社會地位的已經開發現來的人才以熱情的支持和鼓勵。社會還要切實注意中、青年科學家的身體狀況。各學術團體、各位有聲望的科學家，要克服門戶之見，推薦和提拔卓有貢獻的青年科學家，對他們的成果作出及時的鑑定、宣傳和推廣，以促進科學事業的不斷繁榮。

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