Глава II. Сади Карно - создатель термодинамики

Биографические сведения

Сади Никола Леонард Карно родился 1 июня 1796 г. в Париже. Годы детства и юности Сади совпали с бурным революционным периодом Франции. Отец будущего ученого Лазар Карно находился в самом центре политических событий страны того времени. Крупный ученый, выдающийся политический деятель, талантливый военачальник. Влияние отца на сыновей Сади и Ипполита было огромным. В самые трудные для республики дни Лазар находил время заниматься с ними фехтованием и плаванием, математикой и философией. Сади глубоко чтил своего отца и был всю жизнь благодарен ему за те знания и умения, которые тот сумел передать детям. Изучать жизнь и научную деятельность Сади Карно невозможно в отрыве от событий того времени, от того, чем жил его отец.

Лазар Карно родился в г. Ноле в семье адвоката 13 мая 1753 г. Начальное образование получил в колледже г. Атунь. Для продолжения образования отец записал его в одно из учебных заведений Парижа, где юношей готовили для поступления в высшие военные школы. Способности Лазара к математике уже в ранние годы были отмечены преподавателями. Однажды школу с инспекторской проверкой посетил Далам-бер. Успехи юноши не оставили его равнодушным: он горячо хвалил Лазара Карно и предсказывал ему блестящее будущее.

Успешно окончив в 1771 г. подготовительный класс, Лазар в звании подпоручика поступает в Мезьерскую школу военных инженеров, где ему предстояло пробыть два года. Самой заметной фигурой среди преподавателей в те годы был Г. Монж, создатель начертательной геометрии. Лекции этого ученого и педагога оказали влияние на формирование Л. Карно как ученого. Об успехах подпоручика этих лет судить трудно, так как все документы, отчеты и оригинальные работы по укреплению и строительству крепостей представляли собой военную тайну и не предавались гласности. Но, как показала его последующая деятельность, вряд ли их можно считать незначительными.

В 1773 г., завершив образование, Л. Карно в чине поручика был отправлен в Кале для продолжения службы. Через некоторое время Л. Карно направляется командующим гарнизоном в Аррас, где знакомится с М. Робеспьером, несомненно оказавшим влияние на его политические взгляды, и с аббатом Фуше, который в свободное время занимался физикой и астрономией. В 1783 г. Л. Карно был произведен в капитаны, и в этом же году он выступил в печати с первой научной статьей, о которой впоследствии очень похвально отзывался Д. Араго. В январе 1784 г. Л. Карно представил Академии наук свой ме-муар об управляемых аэростатах и их применении в военном деле.

Л. Карно

С. Карно

Следует отметить, что Л. Карно очень много занимался научными исследованиями. В 1784 г. (без указания имени автора) вышла его работа "Опыт о машинах вообще", которая была хорошо принята в ученом мире. В этой работе он сформулировал и доказал теорему о "живой силе"¹, исследовал вопрос о коэффициенте полезного действия машин. В этой же работе несколько страниц Л. Карно посвятил вопросу о вечном двигателе. Он утверждал, что всякая машина, запущенная однажды, непременно остановится. Все доказательства, проведенные автором в этой работе, "превосходны", по оценке Араго. "Выдумщики вечных двигателей, - писал его биограф, - не поймут доказательств Л. Карно, так же как и изобретатели квадратуры круга не понимают геометрии Эвклида". Эта статья была впоследствии переработана и издана вторично (1796) уже с указанием имени автора.

¹ (Термин "живая сила" в то время означал кинетическую энергию. Теорема Л. Карно - теорема о потере кинетической энергии при неупругом ударе. (См.: БСЭ. 3-е изд., т. 11, с. 447.))

Рис. 4. 1796 г. для Лазара Карно был особенным. В этом году он был избран членом Французской Академии наук

С началом революционных событий во Франции Л. Карно активно включается в общественное движение. Его активные выступления, революционные по своему духу, способствуют его избранию членом полкового комитета, президентом Аррасского общества друзей конституции, которое выступало за установление во Франции республики. Вскоре его избирают депутатом Законодательного собрания.

Переезд в Париж способствовал становлению Л. Карно как общественного и политического деятеля. Его выступления в Законодательном собрании были категоричны, резки, совершенно лишены дипломатичности и не всегда получали поддержку среди членов собрания.

1796 г. для Лазара Карно был особенным. В этом году он был избран членом Французской Академии наук (рис. 4). В этом же году у него родился сын Сади. Л. Карно продолжает заниматься научными исследованиями, много времени уделяет воспитанию детей, развивая в них интерес к физическим, математическим и философским вопросам.

Рис. 5. Политехническая школа

Одновременно с домашней подготовкой под руководством отца Сади посещал лицей Карла Великого. Обучение шло легко: способности к математике и физике он унаследовал от отца; от него же перенял любовь к языкам и поэзии. Музыкальность досталась от матери. Лицей блестяще был окончен, и родители должны были решать вопрос о продолжении образования сына. При явной настойчивости отца Сади решено было определить в Политехническую школу, детище революции, лучшее учебное заведение Франции того времени. Политехническая школа (рис., 5) - это плод революционных преобразований в системе просвещения республики. 28 сентября 1794 г. в Париже в соответствии с решением революционного правительства была открыта Центральная школа общественных работ, которая была создана для подготовки военных и гражданских инженеров. 1 сентября 1795 г. Центральная школа была преобразована в Политехническую. Произошли изменения и в уставе школы. Срок обучения был увеличен с двух лет до трех; учащиеся отби- рались по конкурсу и обеспечивались стипендией. Преподавание было поручено крупным ученым. Политехническая школа готовила специалистов для инженерной работы. Наиболее способные выпускники могли заниматься теоретическими исследованиями в области точных наук. И правительство, и преподаватели, и учащиеся не жалели времени и сил, чтобы решить поставленную задачу. И не случайно именно выпускники Политехнической школы составили впоследствии научную славу Франции. В разные годы Политехническую школу окончили А. Ампер, Д. Араго, Ж. Био, Ж. Гей-Люс-сак, О. Кошй, Б. Клапейрон, П. Дюлонг, Ж. Фурье, А. Реньо, Г. Кориолис, С. Пуассон, О. Френель и много других, не менее известных деятелей науки.

И вот в это учебное заведение Л. Карно решил устроить своего шестнадцатилетнего сына. Экзамены были успешно сданы. Обучение в школе проходило легко: сказывалась предварительная подготовка.

В октябре 1814 г. Сади Карно окончил Политехническую школу шестым по успеваемости и сразу же был направлен в Метц для продолжения образования. Об этом периоде его жизни почти ничего неизвестно. Лишь в воспоминаниях его брата упоминается, что в эти годы Сади написал несколько статей, ныне утерянных, но получивших, по его словам, высокую оценку специалистов.

В 1816 г. Сади Карно закончил обучение в Метце и приступил к службе в инженерном полку в звании лейтенанта. В его обязанности входило обследование гарнизонов и укреплений, составление планов, смет и отчетов. Однако результаты его деятельности были заранее обречены на забвение из-за царившего в армии бюрократизма. Отсутствие условий для самообразования и возможностей для приложения своих знаний, застой и скука гарнизонной службы приводили его в отчаяние, и он мечтал о том дне, когда ему удастся изменить свое положение. Дальнейшее продвижение по службе для него было практически невозможным в связи с репрессиями в отношении отца. Но выход был найден. В 1819 г. Сади, воспользовавшись первой возможностью оставить службу в гарнизоне и успешно выдержав конкурсные экзамены, был зачислен в Главный штаб корпуса, находящийся в Париже. Он немедленно переезжает в Париж и поселяется в доме отца.

С. Карно с первых же дней приступает к изучению научных публикаций, знакомится с наиболее важными работами в области физики. В свободные от службы часы он посещает лекции в Сорбонне, Коллеж де Франс, Консерватории искусств и ремесел. Много времени уделяет посещению библиотек и музеев. С большим интересом знакомится с промышленными предприятиями, вникает в сущность технологических процессов, принимается за теоретические исследования в области паровых машин. 12 июня 1824 г. выходит в свет первая и единственная работа двадцативосьмилетнего военного инженера. Работа называлась "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу". Через два дня после выхода из печати работа молодого ученого была официально представлена Академии наук и получила благожелательную рецензию, в которой отмечалась возможность практического использования двигателей, теоретически рассмотренных автором. Несмотря на, казалось бы, благоприятное отношение коллег, важнейшие результаты работы Карно не были поняты. Это объясняется тем, что основные идеи, рассматриваемые в работе, были сформулированы в науке впервые. Необычность логических построений автора вызывала недоверие. Только спустя много лет работа С. Карно стала хрестоматийной.

В период революции 1830 г. Карно, как и вся прогрессивная интеллигенция, был захвачен общим подъемом и всячески стремился содействовать становлению республики. Он входил в Политехнический союз, объединявший выпускников Политехнической школы, целью которого было проведение совместных исследований для поддержания экономики молодой республики. Кроме того, С. Карно вступил в Политехническую ассоциацию, которая была создана с целью распространения научных знаний среди народных масс.

В эти годы Карно занимался исследованиями в области физики паров и газов, пытался найти вид уравнения, связывающего температуру и давление, занимался вопросами природы теплоты и уделял много внимания поиску соотношения между теплотой и работой. Эти исследования остались незавершенными. Часть заметок, которые дают возможность ознакомиться с воззрениями Карно в последние годы жизни, была опубликована спустя 54 года после смерти ученого. 24 августа 1832 г., в возрасте тридцати шести лет, он умер от эпидемии холеры, свирепствовавшей в то время в Париже. В соответствии с существовавшим положением все его личные вещи, включая и черновики, содержащие результаты его научных поисков последних лет, были уничтожены. Но имя его избежало забвения.

27 августа сообщение о его смерти появилось на первой странице официальной парижской газеты "Монитер". В этом же номере была дана краткая биографическая справка и помещена рецензия на его исследования, которые характеризовались как "замечательные".

Из научного наследия С. Карно сохранилось немногое. Самая ранняя его работа - рукопись объемом в 21 страницу - была первым вариантом основной работы. В ней Карно предпринял первую попытку вычислить энергию, которой обладает пар массой 1 кг. Здесь же кратко проведено исследование всех видов процессов, выделены основные типы тепловых машин и показано деление их по присущим им свойствам. Полный цикл работы теплового двигателя был разделен на три этапа: первый этап, или такт, по современной терминологии, представлял собой изотермическое расширение, второй - адиабатное расширение и третий - изотермическое сжатие.

Хотя Карно и утверждал, что описываемый им в этой работе цикл полный, в действительности дело обстояло не так. Утверждения Карно относились не к рабочему телу, а к движущемуся поршню. Рабочее тело, которое использовалось при этом, не возвращалось к исходной температуре. Зная закон о насыщении паров и найденное Дальтоном приближенное значение давления пара, Карно получил зависимость между начальными и конечными температурами и давлением. Используя таблицу Дальтона, устанавливающую связь давления и температуры, Карно вычислил энергию единицы массы пара как функцию только одной температуры.

Наибольшее значение имеет его опубликованная работа. Посмертно изданные заметки хотя и содержат ценную информацию, но какого-либо влияния на последующее развитие учения о теплоте не оказали. Однако и того, что содержится в "Размышлениях..." достаточно, чтобы имя Сади Карно поставить в ряду великих имен испытателей природы и считать его одним из основателей термодинамики.