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标  题: 第九章曲高和寡乎？
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年04月07日20:42:01 星期一), 站内信件



                          第九章  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，1796－183）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：（）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；（）
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．Dav）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（Robeli）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。

    卡诺的理论不仅是热机的理论，它还涉及到热量和功的转化问题，因此也就涉
及到热功当量、热力学第一定律及能量守恒与转化的问题。可以设想，如果卡诺的
理论在1824年就开始得到公认或推广的话，这些定律的发现可能会提前许多年。这
种估计不算过分，根据前面的分析，卡诺至迟在1824－1826年间就计算过热功当量，
这比焦耳的工作要早17~19年。虽然他的计算不够精确但他的理论见解是正确的。
我们有理由相信，在他那些被烧毁的手稿中可能还有关于热功当量的更精确的计算。

　　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；（）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。

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