卡诺生平和对热机改造的贡献

在英国，当瓦特的蒸汽机引发了第一次工业革命的风暴时，科学家和技术人员对热机的研究达到了前所未有的热情。然而，一般的热科学家和力学更重视应用技术的研究。此外，像瓦特和大卫这样在热力学方面做了一些开拓性工作的人是在自学的道路上长大的，他们不太擅长用数学和物理的抽象方法进行研究。因此，热力学的真正理论基础并不是由他们建立的，而是由法国工程师萨迪·卡诺建立的，他具有理论和实验两方面的科学才能。

卡诺于1796年6月1日出生在巴黎。他的父亲雷切尔·卡诺是一位著名的法国将军和政治活动家，被称为法国大革命的“胜利组织者”，并发表过关于军事战略的论文。他的父亲在数学和物理方面也有很高的造诣。卡诺从小就由父亲抚养长大。尤其是在他的父亲于1807年退出政治和军事之后，卡诺把他所有的精力都投入到他儿子的研究中，所以卡诺取得了快速的进步。

1812年，16岁的卡诺被著名的法国巴黎理工学院录取。这所学校非常严格。它不仅注重基础理论的教学，而且注重培养学生解决实际问题的能力。它是19世纪法国高等教育和科学研究的中心，拥有众多的成就和人才。许多著名的科学家在这里学习和工作过。卡诺在这里打下了良好的基础。

1814年10月，年仅18岁的卡诺获得了理工学院的文凭，成绩是班上第六名。然后他去梅斯工程学校深造。他在那里学习了两年军事工程。1816年，卡诺从工程学校毕业，作为一名少尉在军队服役。卡诺不习惯军队中严格的组织纪律和单调的生活。1820年，卡诺最终离开军队回到巴黎。当时，卡诺在巴黎大学、法国学院、矿业学院和巴黎国家技术博物馆学习物理、数学和政治经济学。这样，他的理论基础就更加坚实了。

那时，法国蒸汽机的数量已经增加到65台。虽然这个数字不大，但它使卡诺对蒸汽机进行深入研究成为可能。卡诺发现，从国外进口的蒸汽机，尤其是英国制造的蒸汽机，在性能上远远超过了法国制造的蒸汽机。在研究瓦特蒸汽机的过程中，卡诺最关心蒸汽机的热效率，即热能和机械能之间的转换。他发现在热能转化为机械能的过程中，除了热能转化为机械能的主要过程外，蒸汽机还有许多辅助过程。然而，正是这些辅助过程阻碍了人们对能量转换的深入研究。因此，卡诺决定放弃这些辅助过程，采用抽象的数学分析方法，重点是热能和机械能的转换。利用这一科学方法，卡诺提出了理想热机理论，并基于这一理想热机理论，他构想了一个理想热机。

1824年，28岁的卡诺发表了一篇关于火的力量和产生这种力量的机器的文章，解释了他的理想热机理论。这本书总结了卡诺自己早期的研究成果。在书的开头，他谈到了地球上观察到的许多现象都与热有关。卡诺在文中明确指出，热机只能在两个有温差的热源之间工作。当热量像瀑布一样从高温热源流向低温热源时，热力发动机可以做功。热机的效率与工作介质无关，但主要取决于两个热源之间的温差。

他说:“我们可以恰当地将热能和瀑布的能量进行比较。瀑布的能量取决于它的高度和水量，而热能则取决于所用加热元件的下落速度和我们所称的加热元件，即交换加热元件的物体之间的温差。”卡诺在1824年讨论的理论成果实际上包括了后来人们总结的热力学第二定律:热量只能在从高温热源转变为低温热源的过程中做功。只是因为卡诺当时仍然相信热量理论，他对自己发现的定律给出了错误的理论解释。

卡诺在他的著作《关于热力和热力机器的观点》中也指出，热力发动机的最佳工作物质是在一定温度范围内膨胀度最大的物质。换句话说，作为热机的工作物质，气体比固体和液体有更多的前景和优势。他看到了气体作为热力发动机工作物质的潜在优势，这预示着后来甚至今天广泛使用的内燃机的发展。

卡诺在初步提出热机理论后，继续了一些理论探索工作。从那以后，他逐渐放弃了热量理论，而相信热量理论。这使他对热能和机械能之间的转换有了新的理解。1830年，卡诺在一份草稿文件中明确采用了热理论。此后，他又根据热能和机械能之间的转换研究，以热能和运动理论为基础，首次提出了热能的力学等效概念。同时，他还初步确定了热的机械当量。虽然他的热的机械当量的测量数据不准确，但这是最早的热的机械当量的测量。正是在这篇写于1830年的论文草稿中，卡诺明确指出:“热不是别的东西，而是力量(能量)，或者可以说是一种改变形式的运动。这是一场运动。”他补充道:“力量(能量)是自然界中不变的变量。准确地说，它既不能生产也不能销毁。事实上，它只是改变了它的形式，也就是说，它有时引起一个运动，有时引起另一个运动，但它永远不会被消灭。”卡诺的陈述表明，他接近于发现热力学第一定律，并且在此之前实际上已经发现了热力学第二定律。基于这些发现，他提出了理想热机的热力循环理论和高压缩型自动点火热机的思想。他正式奠定了热力学的理论基础。他在热力学方面的成就直接为发现能量守恒和转换定律铺平了道路。

1832年6月，卡诺患了猩红热、脑膜炎和流行性霍乱。在这些严重疾病的侵袭下，他于同年8月24日去世，享年36岁。此时，他正值壮年，将为科学事业做出更大的贡献。然而，疾病夺去了这位年轻物理学家的生命。他的手稿直到1878年才出版。

今天，当我们坐在一辆由内燃机驱动的舒适汽车里时；当我们看到由内燃机驱动的大型卡车在马路中间行驶时，我们不会忘记年轻的法国物理学家卡诺为此献出了他的一生。