Nicolás Léonard Sadi Carnot

Subteniente Nicolas Léonard Sadi Carnot (francés: [kaʁno]; 1 de junio de 1796 - 24 de agosto de 1832) fue un ingeniero mecánico francés en el ejército francés, científico militar y físico, y a menudo descrito como el "padre de la termodinámica& #34;. Publicó un solo libro, las Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego (París, 1824), en el que expresó la primera teoría exitosa de la máxima eficiencia de los motores térmicos y sentó las bases de la nueva disciplina.: termodinámica. El trabajo de Carnot atrajo poca atención durante su vida, pero luego fue utilizado por Rudolf Clausius y Lord Kelvin para formalizar la segunda ley de la termodinámica y definir el concepto de entropía. 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.

Su padre, Lazare Carnot, fue un eminente matemático, ingeniero militar y líder del Ejército Revolucionario Francés.

Vida

Nicolas Léonard Sadi Carnot nació en París en el Palais du Petit-Luxembourg en el seno de una familia distinguida tanto en la ciencia como en la política. Fue el primer hijo de Lazare Carnot, quien eligió el tercer nombre de Sadi de su hijo (por el que siempre sería conocido) en honor al 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 desde 1887 hasta 1894.

Su padre, Lazare Carnot, conociendo el potencial de su hijo, lo envió al Lycée Charlemagne en París para prepararlo para los exámenes de la École polytechnique. En 1811, a la edad de 16 años, la edad mínima posible, Sadi Carnot se convirtió en cadete en la École Polytechnique de París, donde entre sus compañeros de clase se encontraban 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 fue a estudiar a la École du Génie en Metz para estudiar el curso de dos años en ingeniería militar. Sadi luego 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 monarquía borbónica restaurada de Luis XVIII, se hizo cada vez más difícil.

Sadi Carnot estuvo destinado en diferentes lugares, donde inspeccionó fortificaciones, siguió planos y escribió muchos informes. Parecía que sus recomendaciones fueron ignoradas y su carrera se estancó. El 15 de septiembre de 1818 se tomó una licencia de seis meses para preparar el examen de ingreso del Real Cuerpo de Estado Mayor y Escuela de Aplicación al Servicio del Estado Mayor.

En 1819, Sadi se transfirió al Estado Mayor recién formado en París. Permaneció de guardia para el servicio militar, pero a partir de 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, publicadas en 1824.

Carnot se retiró del ejército en 1828, sin pensión. Fue internado en un asilo privado en 1832 porque sufría de "manía" y "delirio general", y murió de cólera poco después, a los 36 años, en el hospital de Ivry-sur-Seine.

Reflexiones sobre la Fuerza Motriz del Fuego

Antecedentes

Cuando Carnot comenzó a trabajar en su libro, las máquinas de vapor habían alcanzado una importancia económica e industrial ampliamente reconocida, pero no se habían realizado estudios científicos reales sobre ellas. Newcomen había inventado la primera máquina de vapor accionada por pistón más de un siglo antes, en 1712; unos 50 años después, James Watt realizó sus célebres mejoras, que fueron responsables de aumentar en gran medida la eficiencia y la practicidad de las máquinas de vapor. Ya se habían inventado los motores compuestos (motores con más de una etapa de expansión), e incluso había una forma tosca de motor de combustión interna, con el 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 prevaleciente del calor era la teoría calórica, que consideraba al calor como una especie de fluido invisible e ingrávido 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 solo del 3 %.

Ciclo de Carnot

Carnot quería responder a dos preguntas sobre el funcionamiento de las máquinas térmicas: "¿Es el trabajo disponible de una fuente de calor potencialmente ilimitado?" y "¿Pueden, en principio, mejorarse los motores térmicos reemplazando el vapor con algún otro fluido de trabajo o gas?" Intentó responderlas en una memoria, publicada como obra popular en 1824 cuando solo tenía 27 años. Se titulaba Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu ("Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego"). El libro estaba claramente destinado a cubrir una amplia gama de temas sobre motores térmicos de una manera bastante popular; las ecuaciones se mantuvieron al mínimo y requirieron poco más que álgebra y aritmética simples, excepto ocasionalmente en las notas al pie, donde se entregó a algunos argumentos que involucraban 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 sobre 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 hizo Carnot 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 cual 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.

Mostró que la eficiencia de este motor idealizado es una función únicamente de las dos temperaturas de los depósitos entre los que opera. Sin embargo, no dio la forma exacta de la función, que luego se demostró que era (T₁−T₂ )/T₁, donde T₁ es la temperatura absoluta del depósito más caliente. (Nota: esta ecuación probablemente proviene de Kelvin). Ningún motor térmico que funcione en cualquier otro ciclo puede ser más eficiente, dadas las mismas temperaturas de funcionamiento.

El ciclo de Carnot es el motor más eficiente posible, no solo por la (trivial) ausencia de fricción y otros procesos incidentales de desperdicio; la razón principal es que supone que no hay conducción de calor entre las partes del motor a diferentes temperaturas. Carnot sabía que la conducción de calor entre cuerpos a diferentes temperaturas es un proceso inútil e irreversible, que debe eliminarse si se quiere que la máquina térmica 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 enfatizar como una proposición general:

El poder móvil del calor es independiente de los agentes empleados para realizarlo; su cantidad se fija únicamente por las temperaturas de los cuerpos entre los cuales se efectúa, finalmente, la transferencia de calorías.

—Carnot 1890, p. 68

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

Concluyó:

Por lo tanto, la producción de energía motriz se debe a los motores de vapor no al consumo real de calorías sino a su transporte de un cuerpo cálido a un cuerpo frío.

—Carnot 1890, p. 46

y

En la caída de las calorías, el poder móvil aumenta sin duda con la diferencia de temperatura entre los cuerpos cálidos y fríos, pero no sabemos si es proporcional a esta diferencia.

—Carnot 1890, p. 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 conductivo, impulsado por una diferencia de temperatura, produciendo trabajo, también podría usarse para transportar el calórico de regreso a el 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 pierda caloría, lo guió a diseñar el ciclo de Carnot para ser operado por su motor idealizado. En consecuencia, el ciclo se compone de procesos adiabáticos en los que no fluye calor/calórico ∆S = 0 y procesos isotérmicos en los que se transfiere calor ∆S > 0 pero no existe diferencia de temperatura ∆T = 0. La prueba de la existencia de una eficiencia máxima para motores térmicos es la siguiente:

Como el ciclo que lleva su nombre no derrocha calorías, el motor reversible tiene que utilizar este ciclo. Imagina ahora dos cuerpos grandes, uno caliente y otro frío. Postula ahora la existencia de una máquina de calor con una mayor eficiencia. Acoplamos ahora dos máquinas idealizadas pero de diferentes eficiencias 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 denotada como W. Si ahora usamos este trabajo para potenciar la otra máquina más eficiente, usando la cantidad de trabajo W ganado durante cada ciclo por la primera máquina, generaría una cantidad de entropía ∆S' > ∆S fluyen del cuerpo frío al caliente. El efecto neto es un flujo de ∆S' − ∆S ≠ 0 de entropía del cuerpo frío al caliente, mientras no se realice trabajo neto. En consecuencia, el cuerpo frío se enfría y el cuerpo caliente aumenta de temperatura. A medida que aumenta la diferencia de temperatura, la producción de trabajo del primero es mayor en los ciclos sucesivos y, debido al segundo motor, la diferencia de temperatura de los dos cuerpos se alarga aún más en cada ciclo. Al final este conjunto de máquinas sería un perpetuum mobile que no puede existir. Esto prueba que la suposición de la existencia de una máquina más eficiente era incorrecta, por lo que una máquina térmica que opera el ciclo de Carnot debe ser la más eficiente. Esto significa que un motor térmico sin fricción que carece de flujo de calor conductivo 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 que ocupa no puede cambiar esta eficiencia máxima. Utilizando la equivalencia de cualquier gas de trabajo utilizado en motores térmicos, dedujo que la diferencia en el calor específico de un gas medido a presión constante ya volumen constante debe ser constante para todos los gases. Al comparar el funcionamiento de sus máquinas térmicas hipotéticas 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:

Δ Δ S∝ ∝ In⁡ ⁡ VV0.{displaystyle Delta Spropto ln {frac {V} {V_{0}}}}

Recepción y vida posterior

El libro de Carnot recibió muy poca atención por parte de sus contemporáneos. La única referencia a él dentro de unos años después de su publicación fue en una reseña en el periódico Revue Encyclopédique, que era una revista que cubría una amplia gama de temas en la literatura. El impacto del trabajo solo se hizo evidente una vez que Émile Clapeyron lo modernizó en 1834 y luego Clausius y Kelvin lo elaboraron más, quienes juntos derivaron del concepto de entropía y la segunda ley de la termodinámica. Rankine, quien introdujo el término energía potencial en 1853, se dio cuenta más tarde de que una frase equivalente, 'en su sentido puramente mecánico, había sido anticipada por Carnot', quien había empleado el término fuerza vive virtuelle.

Sobre las opiniones religiosas de Carnot, él era un teísta filosófico. Creía en la causalidad divina, afirmando que "lo que para un ignorante es casualidad, no puede serlo para uno mejor instruido" pero no creía en el castigo divino. Criticó la religión establecida, aunque al mismo tiempo se pronunció a favor de "la creencia en un Ser todopoderoso, que nos ama y vela por nosotros".

Fue lector de Blaise Pascal, Molière y Jean de La Fontaine.

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 conseguir. 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; 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 temperatura más alta del depósito caliente resultante. 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, a saber, que una máquina térmica puede ser 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 para diseñar el motor diésel, en el que la temperatura del depósito caliente es mucho más alta que la de un motor de vapor, lo que da como resultado un motor más eficiente.

Obras

• Reflexiones sobre el poder motivo del fuego (1824)