Νικολά Λεονάρ Σαντί Καρνό

Νικολά Λεονάρ Σαντί Καρνό ( ΔΦΑ:[kaʁno] ), 1 Ιουνίου 1796 – 24 Αυγούστου 1832) ήταν Γάλλος στρατιωτικός μηχανικός και φυσικός, συχνά θεωρείται ο «πατέρας της Θερμοδυναμικής». Όπως και ο Κοπέρνικος, δημοσίευσε μόνο ένα βιβλίο, με τον τίτλο: Σκέψεις επί της κινητήριας δυνάμεως του πυρός (Παρίσι, 1824), στο οποίο σε ηλικία 27 ετών ασχολήθηκε με την εύρεση της μέγιστης θεωρητικής απόδοσης των θερμικών μηχανών. Το έργο του Carnot δεν έτυχε ιδιαίτερης προσοχής στη διάρκεια της ζωής του. Η εργασία του ανακαλύφθηκε ξανά από Άγγλους επιστήμονες αρκετά χρόνια αργότερα και ο Λόρδος Κέλβιν ήταν εκείνος που αποκάλεσε τον Καρνό πατέρα της θερμοδυναμικής.

 Ο Νικολά Λεονάρ Σαντί Καρνό γεννήθηκε στο Παρίσι μέσα σε μια οικογένεια που διακρίθηκε τόσο στην επιστήμη όσο και στην πολιτική. Ήταν ο πρώτος γιος του Λαζάρ Καρνό, ο οποίος υπήρξε εξέχων μαθηματικός, στρατιωτικός μηχανικός και ηγέτης του Γαλλικού Επαναστατικού Στρατού. Ο Λαζάρ επέλεξε το τρίτο όνομα του γιου του (με το οποίο θα γίνονταν γνωστός) προς τιμή του Πέρση ποιητή Σαντί Σιραζί. Ο Σαντί Καρνό ήταν ο μεγαλύτερος αδελφός του μετέπειτα πολιτικού Ιππολύτ Κάρνο και ο θείος του Μαρί Φρανσουά Σαντί Καρνό, που διετέλεσε Πρόεδρος της Γαλλίας από το 1887 έως το 1894. Στην ηλικία των 16 ετών, ο Σαντί έγινε δεκτός στην Πολυτεχνική Σχολή (Γαλλία) του Παρισιού, όπου οι συμμαθητές του συμπεριλάμβαναν τους Μισέλ Χιάσλ και Γκασπάρ - Γκυστάβ ντε Κοριόλις. Η École Polytechnique είχε ιδρυθεί από τον Ναπολέοντα για να εκπαιδεύσει μηχανικούς του στρατού, αλλά οι καθηγητές της περιλάμβαναν επιφανείς επιστήμονες της εποχής όπως ο Αντρέ-Μαρί Αμπέρ, ο Φρανσουά Αραγκό, ο Ζοζέφ Λουί Γκαι-Λυσάκ, ο Λουί Ζάκ Τενάρ και ο Σιμεόν Ντενί Πουασόν και η σχολή είχε αποκτήσει πολύ καλή φήμη για το υψηλό επίπεδο της μαθηματικής διδασκαλίας που παρείχε. Μετά την αποφοίτησή του το 1814, ο Σαντί έγινε αξιωματικός στο σώμα των μηχανικών του γαλλικού στρατού. Ο πατέρας του Λαζάρ είχε υπηρετήσει ως υπουργός των εσωτερικών του Ναπολέοντα κατά τη διάρκεια του Πολέμου του Έβδομου Συνασπισμού, και μετά την τελική ήττα του Ναπολέοντα το 1815 ο Λαζάρ αναγκάστηκε να εξοριστεί. Η θέση του Σαντί στον στρατό, μετά την παλινόρθωση της μοναρχίας των Βουρβόνων, έγινε όλο και πιο δύσκολη. Ο Sadi Carnot στάλθηκε σε διάφορες τοποθεσίες, επιθεώρησε οχυρώσεις, κατέγραψε σχέδια και έγραψε πολλές αναφορές. Φαίνεται όμως ότι οι συστάσεις του αγνοήθηκαν και η σταδιοδρομία του βρέθηκε σε στασιμότητα εξαιτίας της δυσμένειας στην οποία είχε περιέλθει ο πατέρας του. Το 1819, ο Sadi μεταφέρθηκε στο νεοσυσταθέν Γενικό Επιτελείο, στο Παρίσι. Παρόλο που βρίσκονταν ακόμη σε στρατιωτική υπηρεσία, αφιέρωνε το μεγαλύτερο μέρος της προσοχής του σε προσωπικές επιστημονικές αναζητήσεις και λάμβανε μόνο τα δύο τρίτα του μισθού του. Ο Carnot συσχετίστηκε με τον επιστήμονα Nicolas Clément και παρακολούθησε διαλέξεις για τη φυσική και τη χημεία σε διάφορες σχολές του Παρισιού. Ενδιαφερόταν για την κατανόηση της λειτουργίας των ατμομηχανών και αναζητούσε τις θεωρητικές αρχές πάνω στις οποίες λειτουργούν, που τον οδήγησε στις έρευνες που έδωσαν το σύγγραμμα του σχετικά με την κινητήρια δύναμη της φωτιάς, που δημοσιεύθηκε το 1824. Ο Carnot αποσύρθηκε από το στρατό το 1828, χωρίς να πάρει σύνταξη. Κλείστηκε σε ιδιωτικό άσυλο το 1832 με τη διάγνωση ότι πάσχει από «μανία» και «γενικευμένο παραλήρημα» και προσβλήθηκε από χολέρα λίγο αργότερα. Πέθανε σε ηλικία 36 ετών, στο νοσοκομείο της Ιβρί-σύρ-Σεν. Ο πατέρας του Σαντί, ο Λαζάρ Καρνό εκτός από εξέχων πολιτικός και στρατιωτικός, ήταν αναγνωρισμένος επιστήμονας στη Γαλλία. Ασχολήθηκε με την επιστήμη της μηχανικής και εξέτασε τις αρχές της λειτουργίας των μηχανών. Ο Λαζάρ Καρνό στο έργο του Memoire sur la théorie des machines, προσέγγισε την ιδέα της διατήρησης της ενέργειας αρκετά χρόνια πριν προταθεί ο όρος και διασαφηνισθεί η σημασία της. Έτσι το έργο του Σαντί Καρνότ, σχετικά με τις θερμικές μηχανές, μπορεί να θεωρηθεί συνέχεια της εργασίας του πατέρα του. Όταν ο άρχισε να ασχολείται με τις μελέτες του, είχε ήδη αναγνωρισθεί η οικονομική και βιομηχανική αξία των ατμομηχανών, ωστόσο δεν είχε γίνει καμία πραγματική επιστημονική μελέτη για αυτές. Ο Άγγλος σιδεράς Νιουκόμεν είχε εφεύρει την πρώτη ατμομηχανή που λειτουργούσε με πιστόνι πάνω από έναν αιώνα πριν, το 1712. Περίπου 50 χρόνια μετά, ο Σκωτσέζος εφευρέτης και στη συνέχεια βιομήχανος Τζέιμς Βατ έκανε σημαντικές βελτιώσεις, οι οποίες ήταν υπεύθυνες για τη μεγάλη αύξηση της αποδοτικότητας και της πρακτικότητας των ατμομηχανών. Οι σύνθετοι κινητήρες (κινητήρες με περισσότερα από ένα στάδια εκτόνωσης) είχαν ήδη εφευρεθεί και υπήρχε ακόμη και μια πρωτόγονη μορφή μηχανής εσωτερικής καύσης, με την οποία ο Καρνό ήταν εξοικειωμένος και την περιέγραψε λεπτομερώς στο βιβλίο του. Αν και υπήρχε κάποια διαισθητική κατανόηση της λειτουργίας των κινητήρων, η επιστημονική θεωρία για τη λειτουργία τους ήταν σχεδόν ανύπαρκτη. Το 1824 η αρχή της διατήρησης της ενέργειας ήταν ακόμα στα πρώϊμα στάδια της αποδοχής της και θα περνούσε περισσότερο από μια δεκαετία ώστε να υπάρξει μια ακριβής διατύπωση του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής και το μηχανικό ισοδύναμο της θερμότητας θα χρειάζονταν ακόμα δύο δεκαετίες. Η επικρατούσα θεωρία της θερμότητας ήταν η θερμιδική θεωρία, σύμφωνα με την οποία θερμότητα είναι ένα είδος αβαρούς και αόρατου ρευστού που ρέει από το θερμότερο στο ψυχρότερο σώμα όταν δεν υπάρχει θερμική ισορροπία. Η Καρνό ήθελε να απαντήσει σε δύο ερωτήσεις σχετικά με τη λειτουργία των κινητήρων θερμότητας: «Είναι το έργο που μπορεί να παράγει μια πηγή θερμότητας δυνητικά απεριόριστο;» και «Μπορούν οι θερμικές μηχανές να βελτιωθούν με την αντικατάσταση του ατμού με κάποιο άλλο υγρό ή αέριο ως μέσον μεταφοράς θερμότητας;» Προσπάθησε να απαντήσει σε αυτά σε ένα εκλαικευμένο έργο που εκδόθηκε το 1824 όταν ήταν μόλις 28 ετών. Είχε τον τίτλο Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu (= «Σκέψεις επί της κινητήριας δυνάμεως του πυρός»). Το σημαντικότερο χαρακτηριστικό της μελέτης του ήταν η πρόθεση του, διατυπωμένη ήδη από τον πρόλογο, να ασχοληθεί με τις βασικές αρχές των θερμικών μηχανών, ανεξάρτητα από τον σχεδιασμό τους και όχι να αναφερθεί σε κάποια από τις ήδη υπάρχουσες. Χρησιμοποιώντας τη θερμιδική θεωρία για τη θερμότητα, κατέληξε σε συμπεράσματα που ισχύουν σε μια γενικευμένη και ιδεατή μορφή θερμικής μηχανής που ονομάστηκε μηχανή του Καρνό. Κατάφερε να αποδείξει ότι η απόδοση μιας τέτοιας μηχανής είναι περιορισμένη και εξαρτάται από τις ακραίες τιμές της θερμοκρασίας λειτουργίας της. Έτσι μπορούμε να πούμε ότι οι Καρνό πατέρας και γιός ήταν πρωτοπόροι στην προσέγγιση των δύο βασικών χαρακτηριστικών της ενέργειας, της διατήρησης της ο πρώτος και της υποβάθμισής της ο δεύτερος. Το βιβλίο του Καρνό έλαβε πολύ λίγη προσοχή από τους συγχρόνους του. Η αξία του έργου του άρχισε να γίνεται εμφανής όταν εκσυγχρονίστηκε από τον Εμίλ Κλαπεϊρόν το 1834 και στη συνέχεια επεξεργάστηκε από τους Κλαούζιους και Κέλβιν, οι οποίοι βασίστηκαν σε αυτό για να εισάγουν την έννοια της εντροπίας και να διατυπώσουν τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Η Καρνό πέθανε κατά τη διάρκεια μιας επιδημίας χολέρας το 1832, σε ηλικία 36 ετών. Λόγω της μεταδοτικής φύσης της χολέρας, πολλά από τα υπάρχοντα και τα γραπτά του Καρνό θάφτηκαν μαζί του μετά τον θάνατό του. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα να διασωθεί μικρό μέρος από ταεπιστημονικά του χειρόγραφα. Μετά τη δημοσίευση τoυ, το βιβλίο Σκέψεις επί της κινητήριας δυνάμεως του πυρός, εξαντλήθηκε σύντομα και για κάποιο χρονικό διάστημα ήταν πολύ δύσκολο να βρεθεί. Ο Λόρδος Κέλβιν, για παράδειγμα, δυσκολεύθηκε να αποκτήσει αντίγραφο του βιβλίου. Το 1890 δημοσιεύθηκε μια αγγλική μετάφραση του βιβλίου από τον R.H. Thurston. Αυτή η έκδοση έχει χρησιμοποιηθεί στις πρόσφατες επανεκδόσεις, με πιο πρόσφατο εκείνη από το εκδοτικό οίκο Dover το 2005. Ορισμένα χειρόγραφα του Καρνό έχουν επίσης μεταφραστεί στα αγγλικά. Δεν έχει υπάρξη έκδοση υποιουδήποτε κειμένου του Καρνό σε ελληνική μετάφραση. Σε μια προγενέστερη έκδοση της αγγλικής έκδοσης αυτού του άρθρου έχει χρησιμοποιηθεί κείμενο από το βιβλίο A short Account of the History of Mathematics του Ρους Μπολ (4η έκδοση, 1908), το οποίο είναι ελεύθερο πνευματικών δικαιωμάτων (public domain).