Nicolas Léonard Sadi Carnot

El subteniente Nicolas Léonard Sadi Carnot ( francés:  [kaʁno] ; 1 de junio de 1796 - 24 de agosto de 1832) fue un ingeniero mecánico francésen el ejército francés , científico y físico militar , y a menudo descrito como el "padre de la termodinámica ". Al igual que Copérnico , publicó un solo libro, las Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego (París, 1824), en el que expresó, a la edad de 27 años, la primera teoría exitosa de la máxima eficiencia de las máquinas térmicas.. En este trabajo, sentó las bases de una disciplina completamente nueva: la termodinámica. El trabajo de Carnot atrajo poca atención durante su vida, pero más tarde fue utilizado por Rudolf Clausius y Lord Kelvin para formalizar la segunda ley de la termodinámica y definir el concepto de entropía . Su padre usó el sufijo Sadi para nombrarlo debido a su intenso interés en el personaje de Saadi Shirazi , un conocido poeta iraní. Basado en preocupaciones puramente técnicas, como mejorar el rendimiento de la máquina de vapor , el intelecto de Sadi Carnot sentó las bases para los diseños tecnológicos de la ciencia moderna, como el automóvil o el motor a reacción . ^[1]

Sadi Carnot
Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1813 a la edad de 17 con el uniforme tradicional de un estudiante de la École Polytechnique
Nació	( 01/06/1796 )1 de junio de 1796 Palais du Petit-Luxembourg , París , Francia
Fallecido	24 de agosto de 1832 (36 años) París, Francia
Nacionalidad	Francia
alma mater	École Polytechnique École Royale du Génie Universidad de París Collège de France
Conocido por	Ciclo de Carnot Eficiencia de Carnot Teorema de Carnot Motor térmico de Carnot
Carrera científica
Campos	Físico
Instituciones	Ejercito francés
Asesores académicos	Siméon Denis Poisson André-Marie Ampère François Arago
Influenciado	Émile Clapeyron Rudolf Clausius Lord Kelvin
Notas
Era hermano de Hippolyte Carnot , su padre era el matemático Lazare Carnot , y sus sobrinos eran Marie François Sadi Carnot y Marie Adolphe Carnot .

La vida

Nicolas Léonard Sadi Carnot nació en París en el Palais du Petit-Luxembourg en una familia que se distinguió tanto en ciencia como en política. Fue el primer hijo de Lazare Carnot , un eminente matemático, ingeniero militar y líder del Ejército Revolucionario Francés . Lazare eligió el tercer nombre de pila de su hijo (por el que siempre sería conocido) después del poeta persa Sadi de Shiraz . Sadi era el hermano mayor del estadista Hippolyte Carnot y el tío de Marie François Sadi Carnot , quien se desempeñaría como presidente de Francia de 1887 a 1894.

En 1811, a la edad de 16 años, Sadi Carnot se convirtió en cadete en la École Polytechnique de París, donde sus compañeros de clase incluían a Michel Chasles y Gaspard-Gustave Coriolis . La École Polytechnique estaba destinada a formar ingenieros para el servicio militar, pero entre sus profesores se encontraban científicos eminentes como André-Marie Ampère , François Arago , Joseph Louis Gay-Lussac , Louis Jacques Thénard , Jean Nicolas Pierre Hachette , Jean-Henri Hassenfratz , Antoine André. Louis Reynaud y Siméon Denis Poisson . Por lo tanto, la escuela se había hecho famosa por su instrucción matemática.

Después de graduarse en 1814, Sadi se convirtió en oficial del cuerpo de ingenieros del ejército francés . Su padre Lazare había servido como ministro del interior de Napoleón durante los " Cien Días " y, después de la derrota final de Napoleón en 1815 , Lazare se vio obligado a exiliarse. La posición de Sadi en el ejército, bajo la restaurada monarquía borbónica de Luis XVIII , se volvió cada vez más difícil. ^[2]

Sadi Carnot fue enviado a diferentes lugares, donde inspeccionó fortificaciones , rastreó planos y escribió muchos informes. Parecía que sus recomendaciones fueron ignoradas y su carrera estaba estancada. ^[3] El 15 de septiembre de 1818 se tomó una licencia de seis meses para prepararse para el examen de ingreso del Cuerpo Real de Personal y la Escuela de Aplicación para el Servicio del Estado Mayor. ^[2]

En 1819, Sadi se trasladó al Estado Mayor recién formado en París. Permaneció de guardia para el servicio militar, pero desde entonces dedicó la mayor parte de su atención a actividades intelectuales privadas y recibió solo dos tercios de la paga. Carnot se hizo amigo de Nicolas Clément y Charles-Bernard Desormes y asistió a conferencias sobre física y química. Se interesó por comprender la limitación para mejorar el rendimiento de las máquinas de vapor , lo que lo llevó a las investigaciones que se convirtieron en sus Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego , publicada en 1824.

Carnot se retiró del ejército en 1828, sin pensión. Fue internado en un manicomio privado en 1832 por "manía" y "delirio generalizado", y murió de cólera poco después, a los 36 años, en el hospital de Ivry-sur-Seine . ^[4]

Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego

Fondo

Cuando Carnot comenzó a trabajar en su libro, las máquinas de vapor habían alcanzado una importancia económica e industrial ampliamente reconocida, pero no había habido un estudio científico real de ellas. Newcomen había inventado la primera máquina de vapor accionada por pistón más de un siglo antes, en 1712; unos 50 años después de eso, James Watt realizó sus celebradas mejoras, que fueron responsables de aumentar enormemente la eficiencia y la practicidad de las máquinas de vapor. Los motores compuestos (motores con más de una etapa de expansión) ya se habían inventado, e incluso existía una forma tosca de motor de combustión interna , con la que Carnot estaba familiarizado y que describió con cierto detalle en su libro. Aunque existía cierta comprensión intuitiva del funcionamiento de los motores, la teoría científica para su funcionamiento era casi inexistente. En 1824, el principio de conservación de la energía aún estaba poco desarrollado y era controvertido, y aún faltaba más de una década para una formulación exacta de la primera ley de la termodinámica ; la equivalencia mecánica del calor no se formularía hasta dentro de dos décadas. La teoría predominante del calor era la teoría calórica , que consideraba al calor como una especie de fluido ingrávido e invisible que fluía cuando estaba fuera de equilibrio .

Los ingenieros de la época de Carnot habían intentado, por medios como el vapor a alta presión y el uso de fluidos, mejorar la eficiencia de los motores. En estas primeras etapas del desarrollo del motor, la eficiencia de un motor típico —el trabajo útil que podía hacer cuando se quemaba una determinada cantidad de combustible— era sólo del 3%.

Ciclo de Carnot

Carnot quería responder a dos preguntas sobre el funcionamiento de los motores térmicos: "¿El trabajo disponible de una fuente de calor es potencialmente ilimitado?" y "¿Se pueden mejorar los motores térmicos en principio reemplazando el vapor con algún otro fluido o gas de trabajo?" Intentó responder a estas en una memoria, publicada como obra popular en 1824, cuando solo tenía 27 años. Se tituló Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu ("Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego"). El libro estaba claramente destinado a cubrir una gama bastante amplia de temas sobre motores térmicos de una manera bastante popular; las ecuaciones se mantuvieron al mínimo y requirieron poco más que simple álgebra y aritmética, excepto ocasionalmente en las notas a pie de página, donde se entregó a algunos argumentos que implicaban algo de cálculo. Discutió los méritos relativos del aire y el vapor como fluidos de trabajo, los méritos de varios aspectos del diseño de máquinas de vapor e incluso incluyó algunas ideas propias con respecto a posibles mejoras prácticas. La parte más importante del libro se dedicó a una presentación abstracta de un motor idealizado que podría usarse para comprender y aclarar los principios fundamentales que se aplican generalmente a todos los motores térmicos, independientemente de su diseño.

Quizás la contribución más importante que Carnot hizo a la termodinámica fue su abstracción de las características esenciales de la máquina de vapor, como se las conocía en su época, en una máquina térmica más general e idealizada . Esto dio como resultado un sistema termodinámico modelo sobre el que se podían hacer cálculos exactos y evitó las complicaciones introducidas por muchas de las características toscas de la máquina de vapor contemporánea. Al idealizar el motor, pudo llegar a respuestas claras e indiscutibles a sus dos preguntas originales.

Demostró que la eficiencia de este motor idealizado es función únicamente de las dos temperaturas de los depósitos entre los que opera. Sin embargo, no dio la forma exacta de la función, que más tarde se demostró que era ( T ₁ - T ₂ ) / T ₁ , donde T ₁ es la temperatura absoluta del depósito más caliente. (Nota: Esta ecuación probablemente proviene de Kelvin ). Ningún motor térmico que opere en cualquier otro ciclo puede ser más eficiente, dadas las mismas temperaturas de operación .

El ciclo de Carnot es el motor más eficiente posible, no solo por la (trivial) ausencia de fricción y otros procesos derrochadores incidentales; la razón principal es que no asume conducción de calor entre partes del motor a diferentes temperaturas. Carnot sabía que la conducción de calor entre cuerpos a diferentes temperaturas es un proceso derrochador e irreversible, que debe eliminarse para que el motor térmico alcance la máxima eficiencia.

Con respecto al segundo punto, también estaba bastante seguro de que la máxima eficiencia alcanzable no dependía de la naturaleza exacta del fluido de trabajo . Dijo esto para enfatizarlo como una proposición general:

La fuerza motriz del calor es independiente de los agentes empleados para realizarlo; su cantidad está fijada únicamente por las temperaturas de los cuerpos entre los que se efectúa, finalmente, la transferencia de calórico.

-  Carnot 1890 , pág. 68

Por su "fuerza motriz del calor", hoy diríamos "la eficiencia de una máquina térmica reversible", y en lugar de "transferencia de calor" diríamos "la transferencia reversible de entropía ∆S " o "la transferencia reversible de calor". a una temperatura determinada Q / T ". Sabía intuitivamente que su motor tendría la máxima eficiencia, pero no pudo establecer cuál sería esa eficiencia.

Él concluyó:

Por lo tanto, la producción de fuerza motriz se debe en las máquinas de vapor no al consumo real de calorías, sino a su transporte de un cuerpo caliente a uno frío. ^[5]

-  Carnot 1890 , pág. 46

y

En la caída del calórico, la fuerza motriz aumenta indudablemente con la diferencia de temperatura entre los cuerpos calientes y fríos, pero no sabemos si es proporcional a esta diferencia. ^[6]

-  Carnot 1890 , pág. 61

En un modelo idealizado, el calórico transportado de un cuerpo caliente a uno frío por un motor térmico sin fricción que carece de flujo de calor conductor, impulsado por una diferencia de temperatura, lo que produce trabajo, también podría usarse para transportar el calórico de regreso al cuerpo caliente. invirtiendo el movimiento del motor consumiendo la misma cantidad de trabajo, un concepto posteriormente conocido como reversibilidad termodinámica . Carnot postuló además que no se pierden calorías durante el funcionamiento de su motor idealizado. Siendo el proceso completamente reversible, ejecutado por este tipo de motor térmico es el proceso más eficiente posible. La suposición de que la conducción de calor impulsada por una diferencia de temperatura no puede existir, de modo que el motor no pierde calorías, lo llevó a diseñar el ciclo de Carnot para que fuera operado por su motor idealizado. En consecuencia, el ciclo se compone de procesos adiabáticos donde no fluye calor / calórico ∆S = 0 y procesos isotérmicos donde el calor se transfiere ∆S > 0 pero no existe diferencia de temperatura ∆T = 0. La prueba de la existencia de una eficiencia máxima para los motores térmicos es la siguiente:

Como el ciclo que lleva su nombre no desperdicia calorías, el motor reversible tiene que usar este ciclo. Imagínense ahora dos cuerpos grandes, uno caliente y otro frío. Postula ahora la existencia de una máquina de calor con mayor eficiencia. Acoplamos ahora dos máquinas idealizadas pero de diferente rendimiento y las conectamos al mismo cuerpo caliente y al mismo frío. El primero y menos eficiente permite que una cantidad constante de entropía ∆S = Q / T fluya de caliente a frío durante cada ciclo, produciendo una cantidad de trabajo denominada W. Si usamos ahora este trabajo para alimentar la otra máquina más eficiente, , utilizando la cantidad de trabajo W ganado durante cada ciclo por la primera máquina, haría una cantidad de entropía ∆S '> ∆S fluir del cuerpo frío al caliente. El efecto neto es un flujo de ∆S '- ∆S ≠ 0 de entropía del cuerpo frío al caliente, mientras que no se realiza ningún trabajo neto. En consecuencia, el cuerpo frío se enfría y el cuerpo caliente aumenta de temperatura. A medida que la diferencia de temperatura aumenta ahora, el rendimiento de trabajo del primero es mayor en los ciclos sucesivos y debido a la diferencia de temperatura del segundo motor de los dos cuerpos se estira aún más en cada ciclo. Al final, este conjunto de máquinas sería un móvil perpetuo que no puede existir. Esto prueba que la suposición de la existencia de un motor más eficiente era incorrecta, por lo que un motor térmico que opera el ciclo de Carnot debe ser el más eficiente. Esto significa que un motor térmico sin fricción que carece de flujo de calor conductor impulsado por una diferencia de temperatura muestra la máxima eficiencia posible.

Concluye además que la elección del fluido de trabajo, su densidad o el volumen ocupado por él no puede cambiar esta eficiencia máxima. Utilizando la equivalencia de cualquier gas de trabajo utilizado en los motores térmicos, dedujo que la diferencia en el calor específico de un gas medido a presión constante y a volumen constante debe ser constante para todos los gases. Al comparar el funcionamiento de sus hipotéticos motores térmicos para dos volúmenes diferentes ocupados por la misma cantidad de gas de trabajo, deduce correctamente la relación entre entropía y volumen para un proceso isotérmico :

${\displaystyle \Delta S\propto \ln {\frac {V}{V_{0}}}.}$

Recepción y vida posterior

El libro de Carnot recibió muy poca atención de sus contemporáneos. La única referencia a ella pocos años después de su publicación fue en una reseña de la revista Revue Encyclopédique , que era una revista que cubría una amplia gama de temas de la literatura. El impacto de la obra solo se hizo evidente una vez que Émile Clapeyron la modernizó en 1834 y luego Clausius y Kelvin la desarrollaron con más detalle , quienes juntos derivaron de ella el concepto de entropía y la segunda ley de la termodinámica. Rankine , que introdujo el término energía potencial en 1853, se dio cuenta más tarde de que Carnot había anticipado una frase equivalente, "en su sentido puramente mecánico", que había empleado el término fuerza vive virtuelle . ^[7]

Según las opiniones religiosas de Carnot, era un teísta filosófico . ^[8] Como deísta, creía en la causalidad divina , afirmando que "lo que para un ignorante es el azar, no puede serlo para un mejor instruido", pero no creía en el castigo divino. Criticó la religión establecida, aunque al mismo tiempo habló a favor de "la creencia en un Ser todopoderoso, que nos ama y vela por nosotros". ^[9]

Fue lector de Blaise Pascal , Molière y Jean de La Fontaine . ^[10]

Muerte

Carnot murió durante una epidemia de cólera en 1832, a la edad de 36 años. ( Asimov 1982 , p. 332) Debido a la naturaleza contagiosa del cólera , muchas de las pertenencias y escritos de Carnot fueron enterrados junto con él después de su muerte. Como consecuencia, solo sobrevivió un puñado de sus escritos científicos.

Después de la publicación de Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego , el libro se agotó rápidamente y durante algún tiempo fue muy difícil de obtener. Kelvin , por su parte, tuvo dificultades para conseguir una copia del libro de Carnot. En 1890, RH Thurston publicó una traducción al inglés del libro ; ^[11] esta versión ha sido reimpresa en las últimas décadas por Dover y por Peter Smith, más recientemente por Dover en 2005. Algunos de los manuscritos póstumos de Carnot también se han traducido al inglés.

Carnot publicó su libro en el apogeo de las máquinas de vapor. Su teoría explicaba por qué las máquinas de vapor que usaban vapor sobrecalentado eran mejores debido a la mayor temperatura del consiguiente depósito caliente. Las teorías y los esfuerzos de Carnot no ayudaron de inmediato a mejorar la eficiencia de las máquinas de vapor; sus teorías solo ayudaron a explicar por qué una práctica existente era superior a otras. No fue hasta finales del siglo XIX cuando se pusieron en práctica las ideas de Carnot, es decir, que una máquina térmica puede hacerse más eficiente si se aumenta la temperatura de su depósito caliente. Sin embargo, el libro de Carnot finalmente tuvo un impacto real en el diseño de motores prácticos. Rudolf Diesel , por ejemplo, utilizó las teorías de Carnot ^[12] para diseñar el motor diesel , en el que la temperatura del depósito caliente es mucho más alta que la de una máquina de vapor, lo que resulta en una máquina que es más eficiente.

Ver también

• Historia del motor de combustión interna

Obras

• Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego (1824)

Referencias

1. Bachelard, Gaston. La formación de la mente científica .
2. Sadi Carnot et l'essor de la thermodynamique, CNRS Éditions
3. Thomass, T (2003). "Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832)" (PDF) . Université de Technologie de Compiègne. Archivado desde el original (PDF) el 15 de febrero de 2017 . Consultado el 19 de julio de 2014 .
4. Chisholm, 1911 .
5. Carnot 1890 , p. 46
6. Carnot 1890 , p. 61
7. William John Macquorn Rankine (1867). "Sobre la frase" Energía potencial "y sobre las definiciones de cantidades físicas" . Actas de la Sociedad Filosófica de Glasgow . VI (III).
8. Carnot 1890 , págs. 215-217
9. RH Thurston, 1890., Apéndice A. págs. 215-217.
10. RH Thurston, 1890, pág. 28
11. Carnot 1890
12. Diesel, Rudolf (1894). Teoría y construcción de un motor térmico racional . E. y FN Spon.

Bibliografía

• Asimov, Isaac (1982), Enciclopedia biográfica de ciencia y tecnología de Asimov (2a ed. Rev.), Doubleday
• Carnot, Sadi (1960), Reflexión sobre la fuerza motriz del fuego , Dover
• Carnot, Sadi (1977), Mendoza, E. (ed.), Reflexión sobre el poder motriz del fuego y otros artículos traducidos al inglés , Gloucester, Massachusetts: Peter Smith
• Wilson, SS (agosto de 1981), "Sadi Carnot" , Scientific American , 245 (2): 102-114, Bibcode : 1981SciAm.245b.134W , doi : 10.1038 / scientificamerican0881-134
• Birkinbine, John; Wahl, WM (noviembre de 1901), "The Diesel motor", Journal of the Franklin Institute , 152 (5): 371–382, doi : 10.1016 / s0016-0032 (01) 90202-9
• Carnot, Sadi (1890). Reflexiones sobre la fuerza motriz del calor . Thurston, Robert Henry (editor y traductor). Nueva York: J. Wiley & Sons.
• ( texto completo de 1897 ed.) ( Archivado el 4 de febrero de 2012 en Wayback Machine )
• Chisholm, Hugh, ed. (1911). "Carnot, Sadi Nicolas Léonhard"  . Encyclopædia Britannica . 5 (11ª ed.). Prensa de la Universidad de Cambridge.

enlaces externos

• Medios relacionados con Nicolas Léonard Sadi Carnot en Wikimedia Commons

• Textos en Wikisource:
  • Reflexiones sobre la fuerza motriz del calor
• O'Connor, John J .; Robertson, Edmund F. , "Nicolas Léonard Sadi Carnot" , archivo MacTutor de Historia de las Matemáticas , Universidad de St Andrews.
• Reflexiones sobre la fuerza motriz del calor (1890), traducción al inglés de RH Thurston (en Internet Archive)
• Sadi Carnot y la segunda ley de la termodinámica , J. Srinivasan, Resonance , noviembre de 2001, 42 (archivo PDF )
• Reflexiones sobre la fuerza motriz del calor (1824), analizadas en BibNum (haga clic en "À télécharger" para un análisis en inglés)