Nicolas Léonard Sadi Carnot - Nicolas Léonard Sadi Carnot


Sadi Carnot
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Nicolas Léonard Sadi Carnot em 1813 aos 17 anos no uniforme tradicional de um estudante da École Polytechnique
Nascer ( 1796-06-01 )1 de junho de 1796
Faleceu 24 de agosto de 1832 (36 anos)
Paris, França
Nacionalidade França
Alma mater École Polytechnique
École Royale du Génie
Universidade de Paris
Collège de France
Conhecido por Ciclo de
Carnot Eficiência de
Carnot Teorema de
Carnot Motor térmico de Carnot
Carreira científica
Campos Físico
Instituições Exército Francês
Orientadores acadêmicos Siméon Denis Poisson
André-Marie Ampère
François Arago
Influenciado Émile Clapeyron
Rudolf Clausius
Lord Kelvin
Notas
Ele era irmão de Hippolyte Carnot , seu pai era o matemático Lazare Carnot e seus sobrinhos eram Marie François Sadi Carnot e Marie Adolphe Carnot .

O sub-tenente Nicolas Léonard Sadi Carnot ( francês:  [kaʁno] ; 1 de junho de 1796 - 24 de agosto de 1832) foi um engenheiro mecânico francêsno Exército francês , cientista militar e físico , e frequentemente descrito como o "pai da termodinâmica ". Ele publicou apenas um livro, Reflexões sobre a força motriz do fogo (Paris, 1824), no qual expressou a primeira teoria bem-sucedida da eficiência máxima dos motores térmicos e lançou as bases da nova disciplina: a termodinâmica. O trabalho de Carnot atraiu pouca atenção durante sua vida, mas foi mais tarde usado por Rudolf Clausius e Lord Kelvin para formalizar a segunda lei da termodinâmica e definir o conceito de entropia . Seu pai usou o sufixo Sadi para nomeá-lo por causa de seu intenso interesse no personagem de Saadi Shirazi , um conhecido poeta iraniano. Com base em preocupações puramente técnicas, como melhorar o desempenho da máquina a vapor , o intelecto de Sadi Carnot lançou as bases para projetos tecnológicos de ciência moderna, como o automóvel ou o motor a jato .

Vida

Nicolas Léonard Sadi Carnot nasceu em Paris, no Palais du Petit-Luxembourg, em uma família que se destacou na ciência e na política. Ele foi o primeiro filho de Lazare Carnot , um eminente matemático, engenheiro militar e líder do Exército Revolucionário Francês . Lazare escolheu o terceiro nome de seu filho (pelo qual ele sempre seria conhecido) em homenagem ao poeta persa Sadi de Shiraz . Sadi era o irmão mais velho do estadista Hippolyte Carnot e tio de Marie François Sadi Carnot , que serviria como presidente da França de 1887 a 1894.

Em 1811, aos 16 anos, Sadi Carnot tornou-se cadete na École Polytechnique de Paris, onde seus colegas incluíam Michel Chasles e Gaspard-Gustave Coriolis . A École Polytechnique destinava-se a treinar engenheiros para o serviço militar, mas seus professores incluíam cientistas 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 e Siméon Denis Poisson . Assim, a escola tornou-se conhecida por seu ensino matemático.

Depois de se formar em 1814, Sadi tornou-se um oficial do exército francês corps 's de engenheiros. Seu pai, Lazare, havia servido como ministro do interior de Napoleão durante os " Cem Dias " e, após a derrota final de Napoleão em 1815 , Lazare foi forçado ao exílio. A posição de Sadi no exército, sob a monarquia Bourbon restaurada de Luís XVIII , tornou-se cada vez mais difícil.

Sadi Carnot foi enviado para diferentes locais, onde inspecionou fortificações , rastreou planos e escreveu muitos relatórios. Parecia que suas recomendações foram ignoradas e sua carreira estava estagnada. Em 15 de setembro de 1818, ele tirou uma licença de seis meses para se preparar para o exame de admissão do Royal Corps of Staff e da Escola de Aplicação para o Serviço do Estado-Maior Geral.

Em 1819, Sadi foi transferido para o recém-formado Estado-Maior em Paris. Ele permaneceu em serviço militar, mas a partir de então dedicou a maior parte de sua atenção a atividades intelectuais privadas e recebeu apenas dois terços do pagamento. Carnot fez amizade com Nicolas Clément e Charles-Bernard Desormes e assistiu a palestras sobre física e química. Interessou-se em compreender as limitações para melhorar o desempenho das locomotivas a vapor , o que o levou às investigações que se tornaram suas Reflexões sobre a força motriz do fogo , publicado em 1824.

Carnot se aposentou do exército em 1828, sem pensão. Ele foi internado em um asilo particular em 1832 por sofrer de "mania" e "delírio geral", e morreu de cólera logo em seguida, aos 36 anos, no hospital de Ivry-sur-Seine .

Reflexões sobre a força motriz do fogo

Fundo

Quando Carnot começou a trabalhar em seu livro, as máquinas a vapor haviam alcançado uma importância econômica e industrial amplamente reconhecida, mas não havia nenhum estudo científico real delas. Newcomen inventou a primeira máquina a vapor operada por pistão mais de um século antes, em 1712; cerca de 50 anos depois, James Watt fez suas famosas melhorias, responsáveis ​​por aumentar muito a eficiência e a praticidade das máquinas a vapor. Motores compostos (motores com mais de um estágio de expansão) já haviam sido inventados, e havia até uma forma rudimentar de motor de combustão interna , com a qual Carnot estava familiarizado e que descreveu com alguns detalhes em seu livro. Embora houvesse algum entendimento intuitivo do funcionamento dos motores, a teoria científica para sua operação era quase inexistente. Em 1824, o princípio de conservação de energia ainda era pouco desenvolvido e controverso, e uma formulação exata da primeira lei da termodinâmica estava a mais de uma década de distância; a equivalência mecânica do calor não seria formulada por mais duas décadas. A teoria prevalecente do calor era a teoria calórica , que considerava o calor como uma espécie de fluido invisível e sem peso que fluía quando fora de equilíbrio .

Os engenheiros da época de Carnot haviam tentado, por meios como o vapor altamente pressurizado e o uso de fluidos, melhorar a eficiência dos motores. Nesses estágios iniciais de desenvolvimento do motor, a eficiência de um motor típico - o trabalho útil que ele era capaz de fazer quando uma determinada quantidade de combustível era queimada - era de apenas 3%.

Ciclo de Carnot

Carnot queria responder a duas perguntas sobre o funcionamento dos motores térmicos: "O trabalho está disponível a partir de uma fonte de calor potencialmente ilimitada?" e "Os motores térmicos podem, em princípio, ser melhorados substituindo o vapor por algum outro fluido ou gás de trabalho?" Ele tentou responder a isso em um livro de memórias, publicado como uma obra popular em 1824, quando ele tinha apenas 27 anos. Era intitulado Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu ("Reflexões sobre a força motriz do fogo"). O livro pretendia claramente cobrir uma gama bastante ampla de tópicos sobre motores térmicos de uma maneira bastante popular; as equações eram reduzidas ao mínimo e exigiam pouco mais do que álgebra e aritmética simples, exceto ocasionalmente nas notas de rodapé, onde ele se entregava a alguns argumentos envolvendo alguns cálculos. Ele discutiu os méritos relativos do ar e do vapor como fluidos de trabalho, os méritos de vários aspectos do projeto de motores a vapor e até incluiu algumas idéias próprias sobre possíveis melhorias práticas. A parte mais importante do livro foi dedicada a uma apresentação abstrata de um motor idealizado que poderia ser usado para entender e esclarecer os princípios fundamentais geralmente aplicados a todos os motores térmicos, independentemente de seu design.

Talvez a contribuição mais importante de Carnot à termodinâmica foi sua abstração das características essenciais da máquina a vapor, como eram conhecidas em sua época, em uma máquina térmica mais geral e idealizada . Isso resultou em um sistema termodinâmico modelo sobre o qual cálculos exatos poderiam ser feitos e evitou as complicações introduzidas por muitas das características rudes da máquina a vapor contemporânea. Ao idealizar o motor, ele poderia chegar a respostas claras e indiscutíveis para suas duas perguntas originais.

Ele mostrou que a eficiência desse motor idealizado é função apenas das duas temperaturas dos reservatórios entre os quais opera. Ele não forneceu, entretanto, a forma exata da função, que mais tarde foi mostrada como ( T 1 - T 2 ) / T 1 , onde T 1 é a temperatura absoluta do reservatório mais quente. (Nota: esta equação provavelmente veio de Kelvin .) Nenhum motor térmico operando em qualquer outro ciclo pode ser mais eficiente, dadas as mesmas temperaturas de operação .

O ciclo de Carnot é o motor mais eficiente possível, não apenas por causa da (trivial) ausência de atrito e outros processos incidentais de desperdício; a principal razão é que não assume nenhuma condução de calor entre as peças do motor em diferentes temperaturas. Carnot sabia que a condução de calor entre corpos em diferentes temperaturas é um processo perdulário e irreversível, que deve ser eliminado para que o motor térmico alcance a eficiência máxima.

Com relação ao segundo ponto, ele também tinha certeza de que a eficiência máxima atingível não dependia da natureza exata do fluido de trabalho . Ele afirmou isso para dar ênfase como uma proposição geral:

A força motriz do calor é independente dos agentes empregados para realizá-la; sua quantidade é fixada unicamente pelas temperaturas dos corpos entre os quais se efetua, enfim, a transferência do calórico.

-  Carnot 1890 , p. 68

Por sua "força motriz do calor", diríamos hoje "a eficiência de uma máquina térmica reversível", e em vez de "transferência de calor" diríamos "a transferência reversível de entropia ∆S " ou "a transferência reversível de calor a uma dada temperatura Q / T ". Ele sabia intuitivamente que seu motor teria a eficiência máxima, mas não foi capaz de dizer qual seria essa eficiência.

Ele concluiu:

A produção de força motriz é, portanto, devida nas máquinas a vapor não ao consumo real de calorias, mas ao seu transporte de um corpo quente para um corpo frio.

-  Carnot 1890 , p. 46


e

Na queda do calórico, a força motriz sem dúvida aumenta com a diferença de temperatura entre os corpos quentes e frios, mas não sabemos se é proporcional a essa diferença.

-  Carnot 1890 , p. 61

Em um modelo idealizado, o calórico transportado de um corpo quente para um frio por uma máquina de calor sem fricção que carece de fluxo de calor condutor, impulsionado por uma diferença de temperatura, produzindo trabalho, também poderia ser usado para transportar o calórico de volta ao corpo quente ao inverter o movimento do motor, consumindo a mesma quantidade de trabalho, um conceito posteriormente conhecido como reversibilidade termodinâmica . Carnot postulou ainda que nenhum calórico é perdido durante a operação de seu motor idealizado. Sendo o processo totalmente reversível, executado por este tipo de máquina térmica é o processo mais eficiente possível. A suposição de que a condução de calor impulsionada por uma diferença de temperatura não pode existir, de forma que nenhum calórico é perdido pelo motor, o orientou a projetar o ciclo de Carnot para ser operado por seu motor idealizado. O ciclo é conseqüentemente composto de processos adiabáticos onde nenhum calor / calórico ∆S = 0 flui e processos isotérmicos onde o calor é transferido ∆S > 0, mas não existe diferença de temperatura ∆T = 0. A prova da existência de uma eficiência máxima para motores térmicos é a seguinte:

Como o ciclo que leva o seu nome não gasta calorias, a máquina reversível tem que usar este ciclo. Imagine agora dois corpos grandes, um quente e outro frio. Ele postula agora a existência de uma máquina de calor com maior eficiência. Acoplamos agora duas máquinas idealizadas, mas de eficiências diferentes, e as conectamos ao mesmo corpo quente e ao mesmo corpo frio. O primeiro e menos eficiente permite que uma quantidade constante de entropia ∆S = Q / T flua do quente para o frio durante cada ciclo, produzindo uma quantidade de trabalho denotada por W. Se usarmos agora este trabalho para alimentar a outra máquina mais eficiente, iria, usando a quantidade de trabalho W ganho durante cada ciclo pela primeira máquina, fazer uma quantidade de entropia ∆S '> ∆S fluir do corpo frio para o quente. O efeito líquido é um fluxo de ∆S '- ∆S ≠ 0 de entropia do corpo frio para o quente, enquanto nenhum trabalho de rede é feito. Conseqüentemente, o corpo frio é resfriado e a temperatura do corpo quente aumenta. À medida que a diferença de temperatura aumenta agora o rendimento do trabalho do primeiro é maior nos ciclos sucessivos e devido ao segundo motor a diferença de temperatura dos dois corpos se estende a cada ciclo ainda mais. No final, esse conjunto de máquinas seria um perpetuum mobile que não pode existir. Isso prova que a suposição da existência de um motor mais eficiente estava errada, de modo que uma máquina térmica que opera o ciclo de Carnot deve ser a mais eficiente. Isso significa que um motor térmico sem fricção que carece de fluxo de calor condutor impulsionado por uma diferença de temperatura mostra a eficiência máxima possível.

Ele conclui ainda que a escolha do fluido de trabalho, sua densidade ou o volume ocupado por ele não podem alterar esta eficiência máxima. Usando a equivalência de qualquer gás de trabalho usado em motores térmicos, ele deduziu que a diferença no calor específico de um gás medido em pressão constante e em volume constante deve ser constante para todos os gases. Ao comparar a operação de seus motores térmicos hipotéticos para dois volumes diferentes ocupados pela mesma quantidade de gás de trabalho, ele deduz corretamente a relação entre a entropia e o volume para um processo isotérmico :

Recepção e vida posterior

O livro de Carnot recebeu muito pouca atenção de seus contemporâneos. A única referência a ele poucos anos após sua publicação foi em uma resenha no periódico Revue Encyclopédique , que cobria uma ampla gama de tópicos da literatura. O impacto do trabalho só se tornou aparente depois que foi modernizado por Émile Clapeyron em 1834 e posteriormente elaborado por Clausius e Kelvin , que juntos derivaram dele o conceito de entropia e a segunda lei da termodinâmica. Rankine , que introduziu o termo energia potencial em 1853, foi mais tarde informado de que uma frase equivalente, "em seu sentido puramente mecânico, foi antecipada por Carnot", que empregou o termo force vive virtuelle .

Nas visões religiosas de Carnot, ele era um teísta filosófico . Ele acreditava na causalidade divina , afirmando que "o que para um homem ignorante é acaso, não pode ser acaso para alguém mais bem instruído", mas não acreditava no castigo divino. Ele criticou a religião estabelecida, embora ao mesmo tempo falasse em favor da "crença em um Ser todo-poderoso, que nos ama e zela por nós".

Ele era um leitor de Blaise Pascal , Molière e Jean de La Fontaine .

Morte

Carnot morreu durante uma epidemia de cólera em 1832, aos 36 anos. ( Asimov 1982 , p. 332) Por causa da natureza contagiosa da cólera , muitos dos pertences e escritos de Carnot foram enterrados junto com ele após sua morte. Como consequência, apenas um punhado de seus escritos científicos sobreviveu.

Após a publicação de Reflexões sobre a força motriz do fogo , o livro rapidamente se esgotou e por algum tempo foi muito difícil de obter. Kelvin , por exemplo, teve dificuldade em conseguir uma cópia do livro de Carnot. Em 1890, uma tradução inglesa do livro foi publicada por RH Thurston ; esta versão foi reimpressa nas últimas décadas por Dover e por Peter Smith, mais recentemente por Dover em 2005. Alguns dos manuscritos póstumos de Carnot também foram traduzidos para o inglês.

Carnot publicou seu livro no apogeu das máquinas a vapor. Sua teoria explicava por que os motores a vapor com vapor superaquecido eram melhores devido à temperatura mais alta do conseqüente reservatório quente. As teorias e esforços de Carnot não ajudaram imediatamente a melhorar a eficiência das máquinas a vapor; suas teorias apenas ajudaram a explicar por que uma prática existente era superior a outras. Foi apenas no final do século XIX que as ideias de Carnot, a saber, que uma máquina térmica pode se tornar mais eficiente se a temperatura de seu reservatório quente for aumentada, foram postas em prática. O livro de Carnot, no entanto, acabou tendo um impacto real no design de motores práticos. Rudolf Diesel , por exemplo, usou as teorias de Carnot para projetar o motor diesel , no qual a temperatura do reservatório quente é muito mais alta do que a de uma máquina a vapor, resultando em um motor mais eficiente.

Trabalho

Veja também

Referências

Bibliografia

links externos