Před 180 lety poprvé vyšly Carnotovy Úvahy o hnací sile ohně, první vědecký rozbor účinnosti parního stroje. Díky této knize je francouzský fyzik Sadi Carnot považován za zakladatele termodynamiky.
Fyzice počátku 19. století stále ještě vládl symbol hodin, představa vesmíru jakožto dokonale seřízeného mechanického stroje. S nástupem věku páry, jak je někdy předminulé století označováno, byli vědci přesvědčeni, že i na teplené stroje se musejí vztahovat pouze zákony klasické mechaniky. Tepelným strojem, přeměňujícím tepelnou energii na mechanickou, byl v té době parní stoj, jehož zavádění do výrobní a dopravní praxe vyvolalo průmyslovou revoluci. S tím, jak začala síla páry pohánět stroje, byla fyzika postavena před otázky, jež s technickou využitelností parního stroje souvisely: Který stroj má nejvyšší účinnost? Co je zdrojem ztrát? A jak těmto ztrátám co nejvíce předcházet?
Těmito úvahami se zabýval i francouzský vědec Lazare Carnot (1753-1823). Pokud mu to ovšem bouřlivá doba, v níž žil, umožňovala. Lazare Carnot byl vyšším důstojníkem v Napoleonově armádě, za takzvané stodenní vlády působil dokonce jako Napoleonův ministr vnitra, ale po císařově prohře u Waterloo byl vypovězen ze země a zbytek života strávil v Německu. Ve svém zkoumání mechanických strojů dospěl k závěru, který se může dnes zdát leckomu samozřejmý, že totiž k dosažení nejvyšší účinnosti mechanického stroje je nutné zkonstruovat ho tak, abychom v něm na nejmenší míru omezili rázy, tření nebo nespojité změny rychlosti.
Larazeův syn, Nicolas-Léonard-Sadi Carnot (1796-1832), v práci svého otce pokračoval. Dostalo se mu vynikajícího vzdělání na pařížské École Polytechnique. Ačkoli jeho postavení bylo díky otcově nucenému exilu nejisté, působil jako vojenský inženýr. Žil v Paříži a coby učenec se zabýval nejen mechanikou, ale i dalšími obory, které v té době s přírodovědou souvisely. Zajímal se o tovární výrobu a studoval ekonomii (poskytoval např. podrobné návrhy na řešení různých problémů, jako byla daňová reforma). Kromě toho měl zájem o matematiku a nebyl mu cizí ani svět umění.
Když v roce 1821 navštívil v Německu otce, seznámil se v Magdeburgu s parním strojem. Od této chvíle se začal cele věnovat studiu pístového parního stroje a v této práci pokračoval i po návratu do vlasti. To, že Francouzi museli dovážet tyto stroje z Anglie, mu bylo důkazem, jak jeho země zaostala. Proto začal přemýšlet o tom, jak zkonstruovat co nejefektivnější parní stroj, který by ve výkonnosti předstihl anglické parostroje.
Ve své analýze tepelného stroje Sadi Carnot bezprostředně navázal na práce svého otce Lazarea. Jak nejsnáze pochopit přeměnu tepla na práci? Odpověď se přímo nabízela. Jestliže v ideálním mechanickém stroji musíme co nejvíce omezit vše, co je vyvoláváno náhlým dotykem těles, v ideální tepelném stroji, který Sadi Carnot ve své knize Úvahy o hnací sile ohně (Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu, 1824) popsal, je nutno zabránit všem dotykům těles o různých teplotách. To znamená, že tepelný oběh musí být navržen tak, aby nedocházelo k výměně tepla mezi dvěma tělesy o různých teplotách.
Jak vlastně pracuje pístový parní stroj? Obyčejně tak, že teplo ohně uvádí do varu vodu, a takto vytvořená pára se rozpíná a tlačí na píst. Tento tlak pak uvádí do chodu kolo. Pára zatlačí píst, ale co potom s ní? Technici si záhy uvědomili, že načatou činnost je nutno dokončit a že by bylo nepatřičné skončit cyklus tím, že necháme páru uniknout do vzduchu. To bychom museli neustále dodávat vodu. Proto je levnější a účinnější nechat proudit páru do jiné nádrže, kde se ji zkondenzujeme studenou vodou a pak ji vedeme zpět do kotle, čímž zajistíme nepřetržitý oběh. Stroji dodáváme teplo a to se přeměňuje na práci. Sadiho Carnota zajímala ideální situace tohoto procesu. Úvahy, jak sestrojit nejefektivnější tepelný stroj, jej přivedly až k formulaci matematické teorie tepla, která se stala základem nového přírodovědného oboru, termodynamiky, nauky, která pojednává o přeměnách tepla v práci nebo naopak a o vzájemných vztazích mezi teplem a jinými druhy energie.
Carnot vypracoval hlubokou analýzu ideální činnosti parního stoje. Pro svůj optimálně pracující tepelný pístový stroj zavedl Carnot čtyřdobý pracovní cyklus, tzv. Carnotův cyklus. Skládá se ze dvou expanzí, izotermické a adiabatické, a ze dvou kompresí, rovněž izotermické a adiabatické. Podmínkou ovšem je, že všechny pochody musí probíhat vratně, což je v praxi při činnosti parního stoje přirozeně neuskutečnitelné.
V době, kdy Carnot žil, nebyl mezi učenci ještě dostatečně znám první zákon termodynamiky, tedy zákon zachování energie. Přesto francouzský inženýr rozpracoval koncept ideálního tepelného stroje správně. A co víc, jeho koncept (navzdory neznalosti prvního zákona termodynamiky) již obsahoval formulaci druhého zákona termodynamika, zákona, který uchvacuje svou univerzalitou.
Konáme-li práci proti tření, bude práce, kterou tímto způsobem ztrácíme, rovna vzniklému teplu. Pokud takovou práci konáme v místnosti o teplotě T a pokud ji konáme dostatečně pomalu, teplota v místnosti se příliš nezmění a nám se daří přeměnit práci v teplo při dané teplotě. Je ale možný i obrácený proces? Můžeme zpátky přeměnit teplo v práci při dané teplotě? Druhý zákon termodynamiky striktně říká, že nikoli. Bylo by velmi výhodné, kdyby se dalo teplo přeměnit v práci pouhým obrácením takového procesu, jako je tření, ale to nám příroda za žádnou cenu nedovolí. Carnotovi bylo jasné, že není možné získat energii z tepla při konstantní teplotě. Kdyby měl celý svět konstantní teplotu, nemohli bychom přece vůbec využít jeho teplenou energii ke konání práce. Tak si Carnot uvědomil jednoduchou, ale univerzální zákonitost, že při určité teplotě nemůžeme odebrat teplo a přeměnit ho v práci bez nějaké jiné změny v systému nebo v okolí.
Sadi Carnot zemřel ve věku pouhých šestatřiceti let na choleru. Teprve po jeho smrti upoutala kniha Úvahy o hnací sile ohně fyziky. Místo v zlatém fondu vědeckých děl si nezískala zejména kvůli tomu, že celé Carnotovo dílo spočívalo na chybné hypotéze o existenci nezničitelné a nevytvořitelné látky „kalorika“ neboli „tepelného fluida“. Přesto na základě Carnotových úvah zformuloval o něco později Rudolf Clausius (1822-1888) druhý termodynamický zákon v podobě, která již šla vyjádřit zcela prostě: teplo nemůže samovolně přecházet z tělesa chladnějšího na teplejší.
Clausius rozdělil přírodní procesy na vratné a nevratné a pro toto rozlišení zavedl pojem entropie. Navíc se jako jeden z prvních fyziků zaměřil na problém tepelné kapacity mnohoatomových plynů a tepelné vodivosti plynů. Clausiovy práce v kinetické teorii plynů umožnily rozvoj statistických koncepcí při výkladu fyzikálních procesů.
Další informace:
Carnot Cycle
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/carnot.html
