[转]曲高和寡乎?——卡诺热机理论为什么长期被忽视
玄明2009/04/08科学技术学 IP:内蒙古
曲高和寡乎?
——卡诺热机理论为什么长期被忽视

  今天,“卡诺热机”、“卡诺循环”和“卡诺定理”,已是大家所熟悉的科学名词了。法国物理学家萨迪.卡诺(N.L.Sadi Carnot,1796-1832)创立的理想热机理论,现在不仅在热机工程界受到普遍重视,而且被列为物理学领域的一项重大发现。然而,卡诺的理论在创立后长期都未能得到应有的重视。他在1824年发表的《关于火的动力和适合产生这种力的机器的考虑》(以下简称为《关于火的动力》)一书的原版直到1835年才销售完;关于他的理论的评论也只有过两次,一次是1824年的书评,另一次则出现在他弟弟为他所写的悼词中。只是到了1848年开耳芬(Lord Kelvin,1824-1907)根据卡诺定理提出绝对温标概念后,卡诺的理论才稍微引起了科学界的注意。


科学世家  

  1796年6月1日,萨迪.卡诺在巴黎小卢森堡宫降生,时值法国资产阶级大革命之后和拿破仑夺取法国政权之前的动乱年月。  
  卡诺的父亲拉扎尔.卡诺(Lazare Carnot)在法国大革命和拿破仑第一帝国时代担任要职。他先后是罗伯斯庇尔(Robe-spierre)的十二人公安委员会的成员之一、拿破仑第一执政手下的战争部长及滑铁卢战争前百日政权的内政部长。当拿破仑帝国在1815年被倾覆后,拉扎尔被流放国外,直至1823年病死于马格德堡。拉扎尔的民主共和的思想给卡诺打上了深刻的烙印,他后来遭受的厄运给卡诺造成了巨大的精神创伤,并导致了社会对卡诺的歧视。  
  拉扎尔不仅是一位政治家,而且也是一位科学家。他于1782年、1787年和1803年先后发表过《通用机器》、《拉扎尔.卡诺数学全休》、《运动和平衡的基本原理》;在热学及能量守恒与转化定律的发现上,均有所贡献。1807年,他辞去战争部长的职务,专事对卡诺和卡诺的弟弟伊波利特.卡诺(Hippolyte Carnot)进行科学教育。  
  1812年,萨迪.卡诺考入巴黎理工学院,在那里受教于泊松.盖-吕萨克、安培和阿喇戈(D.F.Arago)这样一批卓有成就的老师。他主要攻读了分析数学、分析力学、画法几何和化学。  
  1819年,他考上了巴黎总参谋军团。该军团处于初创期,组织还十分松散,卡诺借此机会一边进行科学研究,一边在法兰西学院听一些新课程。这时他对工业经济产生了浓厚兴趣,他走访了许多工厂,研究了政治经济学的最新理论。他发现,热机效率低是当时工业的一个难题。这个问题此导他走上了热机理论研究的道路。

破土而出  

  由于蒸汽机的发明,工业革命在欧洲逐步兴起来了。蒸汽机正在使法国和蒸汽机的故乡——英国日益工业化,为它们增加了国力和财力。作为法国人的卡诺亲身经历了这场蒸汽机革命的冲击,亲眼看到了蒸汽机是怎样促进人类文明向前发展的。然而,他也看到:人们是知道怎样制造和使用蒸汽机,而对蒸汽机的理论却了解不够。  
  当时的热机工程界对这样两个问题进行着热烈的讨论:(1)热机效率是否有一极限?(2)什么样的热机工作物质是最理想的?  
  在对热机效应缺乏理论认识的情况下,工程师只能就事论事,从热机的适用性、安全性和燃料的经济性几个方面来改进热机。他们曾盲目采用空气、二氧化碳,甚至采用酒精来代替蒸汽,试图找到一种最佳的工作物质。这种研究只具有针对性,而不具备普遍性;从某一热机上获得的最佳数据不能套用于另一热机。这就是当时热机理论研究的状况。卡诺采用了截然不同的途径,他不是研究个别热机,而是要寻一种可以作为一般热机的比较标准的理想热机。

当拉扎尔在1823年8月病故后,卡诺的弟弟回到巴黎,协助卡诺完成了《关于火的动力》一书的写作,使它在1824年6月12日发表出来。卡诺在这部著作中提出了“卡诺热机”和“卡诺循环”的概念及“卡诺原理”(现在称为“卡诺定理”)。  
  根据卡诺热机理论,“卡诺热机”是一切工作于相同高温热源和低温热源之间的热机中效率最高的热机,是一种理想热机;“卡诺循环”是一种可逆循环,按照现在的术语来说,是熵保持不变的循环。“卡诺原理”是说:“热动力与用来产生它的工作物质无关,它的量唯一地由在它们之间产生效力的物体(热源)的温度来确定,最后还与热质的输运量有关”。


值科注意的是,卡诺在1824年论著中借用了“热质”的概念,这是他的理论在当时受到怀疑的一个重要原因。卡诺之所以要借助于“热质”,是为了便于通过蒸汽机和水轮机的形象类比来发现热机的规律。在卡诺看来,“热质”正如水从高水位流下推动水轮机一样,它从高温热源流出以推动活塞,然后进入低温热源。在整个过程中,推动水轮机的水没有量的损失;同样,推动活塞的“热质”也没有损失。为了避免混乱,卡诺在谈到热量、或热与机械功的关系时,就不用“热质”一词,而改用“热”;况且在他后来的研究记录中,他就彻底抛弃了“热质”一词。在一个很长的时间内,不少人说卡诺是“热质”论者,其实是没有根据的.



新星陨落  

  在《关于火的动力》发表后,卡诺继续研究热机理论。由于巴黎总参谋军团的改组,他被调回部队。他在部队的时间不到一年,就永远辞去了职务,加在到巴黎在他父亲遗留下来的私寓里长期定居下来。卡诺性格孤僻而清高,他一生只有可数的几位好友。在学派林立的巴黎学界,卡诺的厌世情绪越来越严重。  
  他父亲的革命思想对他的影响至深,以致使他不满时局而与时代格格不入,这就更加恶化了他与社会的关系。七月革命爆发了,他一度表现积极,但很快又失望了。由于他父亲的名气,七月革命党人提名他为巴黎内阁成员。他厌恶这种官衔世袭的作法,而毅然拒绝了。最后他仍回到自己的书桌前从事科学研究。1831年,卡诺开始研究气体和蒸汽的物理性质。4832年6月,他患了猩红热,不久后转为脑炎,他的身体受了致命的打击。后来他又染上了流行性霍乱,竟于同年8月24日被夺去了生命。

卡诺去世时年仅36岁,按照当明的防疫条例,霍乱病者的遗物应一律付之一炬。卡诺生前所写的大量手稿被烧毁,幸得他的弟弟将他的小部分手稿保留了下来。这部分手稿中有一篇是仅有21页纸的论文----《关于适合于表示水蒸汽的动力的公式的研究》;其余内容是卡诺在1824-1826年间写下的23篇论文,它们的论题主要集中在这样三个方面:(1)关于绝热过程的研究;(2)关于用磨擦产生热源;(3)关于抛弃“热质”学说。卡诺这些遗作直到1878年才由他的弟弟整理发表出来。  
  卡诺抛弃“热质”学说的原因,首先是受菲涅耳(A.J.Fresnel,1788-1827)的影响。菲涅耳认为光和热是一组相似的现象,既然光是物质粒子振动的结果,那么热也应当是物质粒子振动的结果,是物质的一种运动形式,而不是什么虚无缥缈没有质量的东西。卡诺接受了菲涅耳的设想,他一方面运用热的动力学新概念重新审度他在1824年提出的热机理论,发现只要用“热量”一词代替“热质”,他的理论仍然成立。另一方面,他又深入研究伦福德伯爵(C.Rrmford)和戴维(H.Davy)的磨擦生热的实验,并计划用实验来揭示在液体或气体中的磨擦热效应的定量关系,他计算出热功当量为3.7焦耳/卡,比焦耳(J P Joule)的工作超前将近20年。

在卡诺去世两年后,《关于火的动力》才获得了第一个认真的读者----克拉派隆(Emile Claperon)。他是巴黎理工学院的毕业生,只比卡诺低几个年级。1834年,他在学院出版的杂志上发表了题为《论热的动力》的论文,用P-V曲线翻译了卡诺循环,但未引起学术界的注意。10年后,英国青年物理学家开耳芬在法国学习时,偶尔读到克拉派隆的文章,才知道有卡诺的热机理论。然而,他找遍了各图书馆和书店,都无法找到卡诺的1824年论著。实际上,他在1848年发表的《建立在卡诺热动力理论基础上的绝对温标》一文,主要根据克拉派隆介绍的卡诺理论来写的。1849年,开耳芬终于弄到一本他盼望已久的卡诺著作。十余年后,德国物理学家克劳修斯(R.Clausius)也遇到了同样的困难,他一直没弄到卡诺原著,只是通过克拉派隆和开耳芬的论文熟悉了卡诺理论。  
  这些事实表明,在1824年至1878年间,卡诺的热机理论一直没有得到广泛传播。卡诺生前的好友罗贝林(Robelin)在法国《百科评论》杂志上曾经这样写道:卡诺孤独地生活、凄凉地死去,他的著作无人阅读,无人承认。

现在很难说清学术界是什么时候开始公认卡诺热机理论的,因为在他去世后,没有任何学术团体或学校授予卡诺任何称号。可以这样说,卡诺的学术地位是随着热功当量的发现,热力学第一定律、能量守恒与转化定律及热力学第二定律相继被揭示出来的过程慢慢地形成的;卡诺的理论除了对克拉派隆、开耳芬和克劳修斯等少数几位物理学家产生过影响外,它在整个物理学界未曾引起过反响。直到1878年他的《关于火的动力》第二版和他生前遗稿发表后,物理学界才普遍知道了卡诺和他的理论。不过,那时热力学已经有了迅速发展,他的著作就成了历史遗物,除少数科学史家和教科书编纂者偶尔翻翻外,没有更多人去认真读它。  

深刻的启示  

  英国著名物理学家麦克斯韦(J.C.Maxwell,1831-1879),对卡诺理论作过高度评价。他说:卡诺的理论是“一门具有可靠的基础、清楚的概念和明确的边界的科学”。可是,这个理论的创立者不论在法国学术界还是在法国社会里都未曾获得多数人的支持。通过对卡诺的历史分析,我们让为卡诺理论的蒙难有如下几个原因:(1)社会的政治压抑;(2)卡诺的早逝;(3)卡诺生前未能进入某一学派。  
  拉扎尔.卡诺是法国18世纪著名科学家,不论在科学家传记上还是在各种大百科全书中,现在都有关于他的生平和贡献的记载。按理说,这对于萨迪.卡诺跻身于法国学术界是一个极为有利的条件。但是,正如前面所说,拉扎尔晚年的不幸以致客死异乡,在政治上给卡诺以巨大的压抑,加上社会对卡诺的歧视,迫使卡诺加避社会而远离了他应当加入的社会或科学团体,使他变成一位不归附任何名门的游离份子。孤独地生活、勤奋地工作又摧毁了他的身心。致使他过早去世。去世后,也没有一位法国学术权威对他的工作作过任何评价,而克拉派隆在当时只不过是一个“无名小卒”,他对卡诺理论的翻译和解释在法国没有产生反响。19世纪初,法国物理学界中颇具影响的人物一般集中在巴黎理工学院和法兰西学院,他们之中威望最高的要数拉普拉斯(P.S.Laplace,1749-1827);以拉普拉斯为首的物理学派左右了法国物理学的方向,凡是比较成功的理论几乎都经过拉普拉斯的评阅和推荐。最明显的例子是毕奥(J.B.Biot)??萨伐尔(F Savart)定律,这个定律是在拉普拉斯指导下,由他的学生毕奥和萨伐尔通过几个实验发现的,一经公布就得到推广,很快就在教科学里出现了。另一个例子是菲涅耳的光波动理论。虽然菲涅耳也死得过早,但他在生前已与法国物理学界取得联系,得到像阿喇戈这样一些权威人士的赞助,因此菲涅耳理论能够产生及时的影响。  


卡诺理论的蒙难历史告诉我们,为了科学技术的迅速发展,我们不仅要加倍注意人才的开发,而且要给与那些还没有确定社会地位的已经开发现来的人才以热情的支持和鼓励。社会还要切实注意中、青年科学家的身体状况。各学术团体、各位有声望的科学家,要克服门户之见,推荐和提拔卓有贡献的青年科学家,对他们的成果作出及时的鉴定、宣传和推广,以促进科学事业的不断繁荣。
来自:科创总论 / 科学技术学
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~~空空如也
dctyu
15年2个月前 IP:未同步
89471
KC里有很多人才。如果社会还是这样执迷不悟,KC的人才也会早逝。

卡诺的早逝不在于自身孤傲,洽在于社会的政治压抑和所有学派的一致批评。

如果当时社会气氛平和,那么卡诺又怎么可能孤傲?

因为社会的发展有自然的速度。所以呼吁社会关心人才还不如KC人为了理想而拼命。死而无憾。
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yy+sy
15年2个月前 IP:未同步
90035
同意lz...
kc人要适应这个社会,而不是让这个社会适应kc人。。。
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dctyu
15年2个月前 IP:未同步
90048
此话稍微带有那么一点点矛盾。
现在什么社会?人人都能看得穿,可是又无能为力。
能适应的还算是KC人吗。
所以说,只要适应一点点。不至于死亡就行了。穷困潦倒都不算什么。那些非常适应的都是当官的材料。
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wuncle
14年11个月前 IP:未同步
111276
其实是这种教育模式埋没了很多人才
而且看了河南今年高考的O分作文
记得里面有个意思就是说 兔子本来就不是游泳的料 你非要他学游泳做什么 S13了
相对来说 外面的教育方式就非常利于个人发展
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laji3865689
14年7个月前 IP:未同步
160356
一味的适应社会只会失去自我。当你发现自己生活很富足的时候,会发觉离当年的梦想太远了,远得不可能再上路,除非你唯一的梦想就是富足。但另一方面,社会的模式改变是需要时间的,在它变得很合理之前,我们都不得不做出一些让步,否则很难活下去。
不过再从第三方面来说,其实坚持理想的KC人的处境真的很艰难吗?历史上有很多人的条件比我们艰难多了,他们却创造了那么多“奇迹”,例如被纳粹追杀的爱因斯坦,例如殉道的伽利略
总结一下:因为理想而绝不让步的人是可敬但可怜的,为了“财富”而放弃理想的人则是可悲且懦弱的。
第四方面:如何调和。。。回来补充
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kknd
14年7个月前 IP:未同步
161271
根据HX的法律,
未经批准的民间组织和超过千人的群众集会是非法的。。。
所以自称为KC人的群众迟早会被HX解散。。。
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lovehongkong
14年7个月前 IP:未同步
161290
[s:233] 出国吧
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拔刀斋
14年7个月前 IP:未同步
161745
搞基础理论研究可以出国,前提是英语考T考G
搞应用型的发明可以进公司,前提是编程如93,开发电路如山总
其实这个水平只能算山寨中的山寨,深圳山寨手机公司都精通射频PCB

大部分KC人这两方面的实力都不具备,仅仅是孤傲
同在不好的社会气氛下,卡诺的孤傲来自超前,KC人的孤傲来自懦弱
因为懦弱,所以把社会的阻力看得无比强大
用叛逆推卸责任,用孤傲作为伪装

火箭+能材+高压包=科学研究?只能说KC被百度脑残党的叫好声惯坏了
引用第1楼dctyu于2009-04-08 15:03发表的  :
KC里有很多人才。如果社会还是这样执迷不悟,KC的人才也会早逝。
卡诺的早逝不在于自身孤傲,洽在于社会的政治压抑和所有学派的一致批评。
如果当时社会气氛平和,那么卡诺又怎么可能孤傲?
因为社会的发展有自然的速度。所以呼吁社会关心人才还不如KC人为了理想而拼命。死而无憾。
.......
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dctyu
14年7个月前 IP:未同步
161756
引用第5楼laji3865689于2009-10-26 14:25发表的  :
一味的适应社会只会失去自我。当你发现自己生活很富足的时候,会发觉离当年的梦想太远了,远得不可能再上路,除非你唯一的梦想就是富足。但另一方面,社会的模式改变是需要时间的,在它变得很合理之前,我们都不得不做出一些让步,否则很难活下去。
不过再从第三方面来说,其实坚持理想的KC人的处境真的很艰难吗?历史上有很多人的条件比我们艰难多了,他们却创造了那么多“奇迹”,例如被纳粹追杀的爱因斯坦,例如殉道的伽利略
总结一下:因为理想而绝不让步的人是可敬但可怜的,为了“财富”而放弃理想的人则是可悲且懦弱的。
第四方面:如何调和。。。回来补充

总结得很精辟。
引用第8楼拔刀斋于2009-11-03 16:48发表的  :
搞基础理论研究可以出国,前提是英语考T考G
搞应用型的发明可以进公司,前提是编程如93,开发电路如山总
其实这个水平只能算山寨中的山寨,深圳山寨手机公司都精通射频PCB

大部分KC人这两方面的实力都不具备,仅仅是孤傲
.......

有关出国、进公司等也只是落后的社会之主流思维罢了。超前的思维只有超前的人自己知道,其他人不可能知道。
如上两方面不仅KC人不具备,想必卡诺也不具备。如果孤傲与儒弱共生,那么卡诺也同样儒弱。
把社会的阻力看得无比强大不是坏事。且比顺应其势好得多。免得“离梦想太远了,远得不可能再上路”。
叛逆是新词汇,卡诺那时可没有,它是褒是贬尚待定。不必用孤傲作为伪装,也不必用不孤傲作为伪装。

KC已经强大得不仅仅是火箭+能材+高压包。作为KCer为什么要说自己是脑残党呢?
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拔刀斋
14年7个月前 IP:未同步
161758
进公司是落后的社会之主流思维,还勉强说得过去
出国就是离开天朝,谈何落后?
如果理想是科研,挑战社会对理想一点帮助都没有

KC人当然不是脑残党,但百度遍地脑残党围观,很雷很山寨的环境影响了KC的学术评价标准,过分注重效果夸张,越不河蟹越受追捧,很少注意国际科技发展方向。

现在的国际科技和产业正在向节能环保(而不是军工科技)这个热点发展。在这方面KC可以做出国际先进水平的研究成果,并且不用招惹半点河蟹。

举一个例子:数字电源的控制算法
以前我贴在电子与电工版的几篇英文专利文献,这些专利来自iwatt公司2004年发布的产品,是世界上最早商用的数字电源控制IC。其中的算法实质上并不深奥,以93、破蛇或kknd的水平都能实现得出来。(我本人选择对于另外的应用开发具备同等水平的新算法,所以没有跟进实验,新算法的结构和实验结果等到专利批准后会公布)

引用第9楼dctyu于2009-11-03 17:45发表的  :
有关出国、进公司等也只是落后的社会之主流思维罢了。超前的思维只有超前的人自己知道,其他人不可能知道。
如上两方面不仅KC人不具备,想必卡诺也不具备。如果孤傲与儒弱共生,那么卡诺也同样儒弱。
把社会的阻力看得无比强大不是坏事。且比顺应其势好得多。免得“离梦想太远了,远得不可能再上路”。
叛逆是新词汇,卡诺那时可没有,它是褒是贬尚待定。不必用孤傲作为伪装,也不必用不孤傲作为伪装。
.......
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拔刀斋
14年7个月前 IP:未同步
161759
有钱就是大爷,商业研讨会可以合法随便开
例如行业门户网站XXXXXXXXXXXX,以前也就是个小论坛,其实也没什么钱。开研讨会的钱似乎来自研讨会本身给酒店带来的客源

当然,参会人员有相当一部分是公费,这个盈利模式不适合KC
KC要探索自己的生存模式

引用第6楼kknd于2009-10-31 23:04发表的  :
根据HX的法律,
未经批准的民间组织和超过千人的群众集会是非法的。。。
所以自称为KC人的群众迟早会被HX解散。。。
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a112223333
14年1个月前 IP:未同步
209503
[s:261] 人类社会到底是科学在推进,还是灭亡在推进啊!就像特斯拉、爱因斯坦那个时代,到底是大师推进了人类的进步还是战争~~~~~~
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refinder
13年4个月前 IP:未同步
276529
回 8楼(拔刀斋) 的帖子
女人可以不漂亮,但是要有身材。如果没身材,那得有才智。如果没才智,那起码要有笑容。如果没笑容,至少要贤惠。如果一样都没有,那希望上帝保佑你!
科学爱好者可以不是大师,但是要有创新,如果没有创新,至少要精通,如果不精通,至少要谦虚,如果不嫌虚,至少要有一技之长,如果没有一技之长,如果一样都没有,那希望上帝保佑你!
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南山猎手
12年6个月前 IP:未同步
336547
回 8楼(拔刀斋) 的帖子
你还是没懂这篇文章的意义。
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拔刀斋
12年6个月前 IP:未同步
336761
Re:回 8楼(拔刀斋) 的帖子
引用第14楼南山猎手于2011-11-14 14:04发表的 回 8楼(拔刀斋) 的帖子 :
你还是没懂这篇文章的意义。


针对2009年的KC说的,跟现在的情况不一样。
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