Nicolas Léonard Sadi Carnot ( en francés: [nikɔla leɔnaʁ sadi kaʁno] ; 1 de junio de 1796 - 24 de agosto de 1832) fue un ingeniero militar y físico francés . Graduado de la École polytechnique , Carnot sirvió como oficial en el brazo de ingeniería ( le génie ) del ejército francés . También realizó estudios científicos y en junio de 1824 publicó un ensayo titulado Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego . En ese libro, que sería su única publicación, Carnot desarrolló la primera teoría exitosa de la máxima eficiencia de los motores térmicos .
El trabajo científico de Carnot atrajo poca atención durante su vida, pero en 1834 se convirtió en objeto de un comentario y explicación detallados por otro ingeniero francés, Émile Clapeyron . El comentario de Clapeyron a su vez atrajo la atención de William Thomson (más tarde conocido como Lord Kelvin) y Rudolf Clausius . Thomson utilizó el análisis de Carnot para desarrollar una escala de temperatura termodinámica absoluta , mientras que Clausius lo utilizó para definir el concepto de entropía , formalizando así la segunda ley de la termodinámica .
Sadi Carnot era hijo de Lazare Carnot , un eminente matemático, ingeniero y comandante del Ejército Revolucionario Francés y, más tarde, del ejército napoleónico . Algunas de las dificultades que Sadi enfrentó en su propia carrera podrían haber estado relacionadas con la persecución de su familia por parte de la restaurada monarquía borbónica después de la caída de Napoleón en 1815. Sadi Carnot murió en relativa oscuridad a la edad de 36 años, pero hoy en día se le suele caracterizar como el "padre de la termodinámica ".
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Sadi Carnot nació en París el 1 de junio de 1796, en el palacio del Pequeño Luxemburgo , donde residía su padre Lazare como uno de los cinco miembros del Directorio , el máximo órgano de gobierno de la Primera República Francesa inmediatamente después de la Reacción Termidoriana . Su madre, Sophie née Dupont (1764-1813), provenía de una familia adinerada afincada en Saint-Omer .
Sadi recibió el nombre de su padre Lazare en honor al poeta persa del siglo XIII Sadi de Shiraz . Un hermano mayor, también llamado Sadi, había nacido en 1794 pero murió en la infancia al año siguiente. "Sadi" es el único nombre de pila que aparece en el certificado de nacimiento civil del segundo hijo, fechado el 14 de la pradera , año IV del calendario republicano francés . [1] El 11 de julio de 1796, el niño fue bautizado en la iglesia católica de Saint-Louis-d'Antin como "Nicolas-Léonard Dupont". El testigo principal en ese bautismo fue su abuelo materno, Jacques-Antoine-Léonard Dupont. El padre está identificado erróneamente en el registro bautismal como Jacques-Léonard-Joseph-Auguste Dupont (que era, de hecho, el tío materno del niño). [2] Siguiendo la nota biográfica publicada mucho después de su muerte por su hermano Hippolyte, la mayoría de las fuentes dan ahora su nombre completo como "Nicolas Léonard Sadi", pero no hay evidencia de que alguna vez utilizara otro nombre que no fuera "Sadi". [3]
Sadi tenía un hermano menor, Hippolyte Carnot , que nació en 1801 en Saint-Omer y que más tarde se convertiría en un político destacado. El hijo mayor de Hippolyte, Marie François Sadi Carnot, fue presidente de Francia entre 1887 y 1894. Otro de los hijos de Hippolyte fue el químico, ingeniero de minas y político Adolphe Carnot . El propio Sadi permanecería soltero y no dejaría descendencia.
El joven Sadi fue educado primero en casa de su padre y después en el Liceo Charlemagne , en París, donde se preparó para los exámenes necesarios para entrar en la Escuela Politécnica , que su padre había ayudado a fundar. En 1811, a la edad de 16 años (el mínimo permitido), Sadi Carnot se convirtió en cadete de la Escuela Politécnica, donde entre sus compañeros de clase se encontraba el futuro matemático Michel Chasles . Entre sus profesores se encontraban André-Marie Ampère , Siméon Denis Poisson , François Arago y Gaspard-Gustave Coriolis . Así, la escuela se había hecho famosa por su enseñanza en matemáticas y física. [4]
Durante la batalla de París en marzo de 1814, Carnot, Chasles y otros cadetes de la Escuela Politécnica participaron en la defensa de Vincennes . Esta parece haber sido la única experiencia de batalla de Carnot. Carnot se graduó en 1814 y fue admitido en la Escuela de Artillería Aplicada e Ingeniería Militar de Metz , donde completó un curso de dos años. Sadi luego se convirtió en oficial del cuerpo de ingenieros del ejército francés .
El padre de Carnot, Lazare, sirvió como ministro del Interior de Napoleón durante los « Cien Días » y, tras la derrota final de Napoleón en 1815, Lazare se vio obligado a exiliarse en la ciudad alemana de Magdeburgo . La posición de Sadi en el ejército, bajo la monarquía borbónica restaurada del rey Luis XVIII , se volvió cada vez más difícil. [5] Lazare nunca regresó a Francia y murió en Magdeburgo en 1823.
Sadi se convirtió en capitán del Génie y fue destinado a varios lugares, donde inspeccionó fortificaciones , siguió los planos y escribió muchos informes. Sin embargo, parecía que sus recomendaciones fueron ignoradas y que su carrera se estaba estancando. [6] El 15 de septiembre de 1818, a la edad de 22 años, se tomó una licencia de seis meses para prepararse para el examen de ingreso al recién formado Estado Mayor en París. Carnot aprobó el examen y se unió al Estado Mayor en enero de 1819, con el rango inferior de teniente . [7] Siguió 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 su salario. [8]
En París, Carnot trabó amistad con Nicolas Clément y Charles-Bernard Desormes y asistió a conferencias sobre física y química en la Sorbona y el Collège de France . También asistió al Conservatorio Nacional de Artes y Oficios , donde siguió las conferencias sobre química de Clément y las de economía de Jean-Baptiste Say . [9] Carnot se interesó en comprender los límites 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 a su propio costo en junio de 1824.
Carnot fue finalmente ascendido a su antiguo rango de capitán en septiembre de 1827, pero en abril del año siguiente abandonó el ejército, habiendo completado sólo quince meses de servicio activo y sin derecho a pensión. [10] En un directorio de ex alumnos de la École polytechnique publicado por Ambroise Fourcy en 1828, Carnot aparece como "fabricante de máquinas de vapor". Esto y algunas otras indicaciones sugieren que Carnot pudo haber estado involucrado en un plan práctico para la mejora de las máquinas de vapor, pero no han surgido patentes ni otras evidencias concretas de ese trabajo. [11]
Carnot se interesaba por la economía política . Su orientación política era liberal , pero parece haber preferido las doctrinas más intervencionistas de Jean de Sismondi a las políticas de laissez-faire defendidas por economistas liberales clásicos como Say y David Ricardo . [12] De los escritos privados de Carnot sobre economía sólo sobreviven algunas notas fragmentarias. [13]
Carnot inicialmente dio la bienvenida a la Revolución de julio de 1830, que puso fin al régimen borbónico bajo Carlos X y estableció una nueva monarquía constitucional bajo el "rey ciudadano" Luis Felipe . [14] Según su hermano Hippolyte, hubo cierta discusión entre los líderes del nuevo régimen sobre la incorporación de Sadi a la Cámara de los Pares , ya que podría considerarse que había heredado el título imperial de "Conde Carnot" que Napoleón había otorgado a su padre Lazare en 1815. Sin embargo, nada de esto se llevó a cabo, tal vez porque las convicciones republicanas de Sadi le impidieron aceptar una distinción hereditaria. [15]
Según los recuerdos publicados mucho después de la muerte de Sadi por su hermano Hippolyte, Sadi era un ávido lector de Blaise Pascal , Molière y Jean de La Fontaine . [16] Hippolyte recordó que Sadi era un teísta filosófico que creía en la causalidad divina pero no en el castigo divino. Carnot escribió en sus documentos privados que "lo que para un hombre ignorante es casualidad, no puede ser casualidad para alguien mejor instruido". Era crítico de la religión establecida, pero habló a favor de "la creencia en un Ser todopoderoso, que nos ama y vela por nosotros". [17]
Hippolyte también describió a su hermano como un talentoso violinista , interesado principalmente en la música de Jean-Baptiste Lully y Giovanni Battista Viotti , quienes también cultivaron la gimnasia, la esgrima, la natación, el baile y el patinaje. [18] Según el historiador de la ciencia James F. Challey, "aunque sensible y perceptivo", Carnot "parecía extremadamente introvertido, incluso distante, para todos excepto unos pocos amigos cercanos". [19] Esto puede ayudar a explicar por qué el trabajo de Carnot no logró causar una impresión significativa dentro de la comunidad científica o de ingeniería durante su vida.
En el verano de 1832, Carnot aparentemente sufrió un severo ataque de escarlatina . El 3 de agosto fue internado en un sanatorio privado dirigido por el psiquiatra Jean-Étienne Esquirol y ubicado en Ivry , al sur de París. [20] Según el registro del hospital, se curó de la " manía ", pero luego murió de cólera el 24 de agosto. [21] Carnot fue enterrado en el antiguo cementerio de Ivry, cerca de lo que ahora es la estación Mairie d'Ivry . [22]
La contribución de Sadi Carnot al desarrollo de la termodinámica está contenida en su única obra publicada, un pequeño libro titulado Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance ("Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego y sobre las máquinas aptas para desarrollar esa fuerza") publicado en París en junio de 1824 por Bachelier, con el propio Carnot pagando la impresión de las 600 copias. [23] La obra atrajo poca atención durante su vida y prácticamente desapareció de las librerías y bibliotecas. [24] Un artículo publicado en 1834 (dos años después de la muerte de Carnot y diez años después de la publicación de su libro) por el ingeniero y compañero politécnico Émile Clapeyron finalmente logró llamar la atención sobre el trabajo de Carnot, que algunos años más tarde fue utilizado por Lord Kelvin y Rudolf Clausius para definir los conceptos de temperatura absoluta , entropía y la segunda ley de la termodinámica . [25]
En 1712, Thomas Newcomen inventó la primera máquina de vapor de pistón que funcionó de manera práctica. Unos 50 años después, James Watt realizó sus famosas mejoras, que fueron responsables de aumentar enormemente la utilidad de las máquinas de vapor. Cuando Carnot se interesó por el tema en la década de 1820, las máquinas de vapor se aplicaban cada vez más en la industria y su importancia económica era ampliamente reconocida. Ya se habían inventado las máquinas compuestas (motores con más de una etapa de expansión), e incluso existía un rudimentario motor de combustión interna , conocido como piréoloforo y construido por los hermanos Claude y Nicéphore Niépce , con el que Carnot estaba familiarizado y que describió con cierto detalle en su libro.
Sin embargo, el trabajo práctico sobre las máquinas de vapor y la comprensión intuitiva entre los ingenieros de algunos de los principios que subyacen a su funcionamiento coexistieron con una falta casi total de comprensión científica de los fenómenos físicos asociados con el calor . El principio de conservación de la energía aún no se había articulado claramente y las ideas en torno a él eran fragmentarias y controvertidas. El propio Carnot aceptó la opinión, prevaleciente en Francia y asociada con el trabajo de Antoine Lavoisier , de que el calor es un fluido ingrávido e invisible , llamado " calórico ", que puede liberarse mediante reacciones químicas y que fluye desde cuerpos a mayor temperatura a cuerpos a menor temperatura.
En su libro, Carnot trató de responder a preguntas básicas: ¿Existe un límite al trabajo que se puede generar a partir de una fuente de calor dada? y ¿ Se puede mejorar el rendimiento de un motor reemplazando el vapor por un fluido de trabajo diferente ? Los ingenieros de la época de Carnot habían intentado, utilizando vapor y otros fluidos a alta presión, mejorar la eficiencia de los motores. En estas primeras etapas del desarrollo de los motores, la eficiencia de un motor típico (el trabajo útil que era capaz de realizar cuando se quemaba una cantidad dada de combustible ) era solo de alrededor del 5-7%. [26]
El libro de Carnot tenía sólo 118 páginas y cubría una amplia gama de temas sobre las máquinas térmicas en lo que Carnot debió haber pretendido que fuera una forma accesible a un amplio público. Hizo un uso mínimo de las matemáticas, que limitó al álgebra y la aritmética elementales, excepto en algunas notas a pie de página. Carnot discutió los méritos relativos del aire y el vapor como fluidos de trabajo, los méritos de varios aspectos del diseño de la máquina de vapor e incluso incluyó algunas ideas propias sobre posibles mejoras prácticas. Sin embargo, la parte central del libro era un tratamiento abstracto de una máquina idealizada (el ciclo de Carnot ) con el que el autor buscaba aclarar los principios fundamentales que gobiernan todas las máquinas térmicas, independientemente de los detalles de su diseño u operación. Esto dio como resultado un sistema termodinámico idealizado sobre el que se podían hacer cálculos exactos y evitó las complicaciones introducidas por muchas de las características rudimentarias de las máquinas de vapor contemporáneas.
Carnot consideró un proceso idealizado en el que el calor de un depósito térmico a alta temperatura fluye muy lentamente (y por lo tanto de manera reversible ) hacia el gas contenido en un cilindro encerrado por un pistón móvil. Esto produce una expansión isotérmica del gas que empuja hacia afuera el pistón y puede usarse para realizar un trabajo útil. Esto todavía no constituye un motor porque el pistón debe regresar a su posición original para que la máquina funcione cíclicamente.
Carnot propuso entonces reducir la temperatura del gas mediante una expansión adiabática , durante la cual el cilindro queda aislado térmicamente para evitar que el calor entre o salga del gas. Una vez que la temperatura del gas ha alcanzado el mismo valor que la del depósito más frío, el cilindro se pone en contacto térmico con ese depósito y el gas sufre una compresión isotérmica, durante la cual cede calor muy lentamente (y por tanto de forma reversible) al depósito.
Para cerrar el ciclo, se puede aumentar la temperatura del gas en el cilindro mediante compresión adiabática, hasta que alcance un valor igual a la temperatura del depósito más caliente. Esta sucesión de expansión isotérmica, expansión adiabática, compresión isotérmica y compresión adiabática puede repetirse tantas veces como se desee, generando una cantidad neta de trabajo cada vez, a expensas de una transferencia de calor del depósito más caliente al depósito más frío.
Como explicó Carnot, un ciclo de este tipo constituye el motor térmico más eficiente posible (dadas las temperaturas de los dos depósitos), no solo por la (trivial) ausencia de fricción, fuga de calor u otros procesos incidentales derrochadores: la razón principal es que no implica conducción de calor entre partes del motor a diferentes temperaturas. Carnot entendió que la conducción de calor entre cuerpos a diferentes temperaturas es un proceso derrochador e irreversible , que debe minimizarse si se quiere que el motor térmico alcance su máxima eficiencia.
Como el ciclo de Carnot es reversible, también puede utilizarse como refrigerador : si un agente externo proporciona el trabajo mecánico necesario para mover el pistón, la secuencia de transformaciones del gas absorberá calor del depósito más frío y lo rechazará en el depósito más caliente. Carnot argumentó que ningún motor que funcione entre depósitos a dos temperaturas dadas podría generar más trabajo que su ciclo reversible. De lo contrario, el motor más eficiente podría ejecutar el ciclo de Carnot en sentido inverso como un refrigerador, devolviendo así todo el "calórico" del depósito más frío al más caliente, con una cantidad positiva de trabajo restante para realizar una tarea útil adicional. Carnot supuso que un proceso de este tipo, en el que no se consume "calórico" neto mientras que se puede realizar trabajo positivo para siempre, sería un movimiento perpetuo y, por lo tanto, prohibido por las leyes de la física.
Este argumento llevó a Carnot a concluir que
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 cuales se efectúa, finalmente, la transferencia de calórico. [28]
Carnot entendió que su motor idealizado tendría la máxima eficiencia térmica posible dadas las temperaturas de los dos depósitos, pero no calculó el valor de esa eficiencia debido a las ambigüedades asociadas a las diversas escalas de temperatura utilizadas por los científicos en ese momento:
En la caída del calor, la fuerza motriz aumenta sin duda con la diferencia de temperatura entre los cuerpos calientes y fríos, pero no sabemos si es proporcional a esta diferencia. [29]
Más adelante en su libro, Carnot consideró una máquina térmica que opera muy cerca del punto de ebullición del agua, el alcohol o algún otro fluido de trabajo. La transición entre las fases líquida y vapor implica un cambio repentino en la densidad (y por lo tanto en el volumen ocupado por el fluido) mientras que se necesita un calor latente para transformar cierta cantidad del fluido de una fase a la otra. Al requerir que el cambio de volumen asociado con tal transición no esté disponible para construir lo que él caracterizó como un dispositivo de movimiento perpetuo, Carnot llegó a lo que más tarde se formalizaría matemáticamente como la " relación de Clausius-Clapeyron ". En las Feynman Lectures on Physics , el físico teórico Richard Feynman enfatiza que este resultado se debe a Carnot y da una versión modernizada del argumento original de Carnot. [30]
En 1849, James Thomson (el hermano mayor de Lord Kelvin ) aplicó el razonamiento de Carnot a la congelación del agua (es decir, la transición de fase entre el agua líquida y el hielo) y concluyó que predecía que el punto de fusión del hielo debía disminuir si se le aplicaba una presión externa, un efecto que nadie había propuesto ni estudiado antes. La predicción de James Thomson fue confirmada experimentalmente más tarde por su hermano (el futuro Lord Kelvin), quien descubrió que los datos coincidían plenamente con el análisis de Carnot. [31] Kelvin dijo más tarde sobre el argumento de Carnot que "nada en todo el espectro de la filosofía natural es más notable que el establecimiento de leyes generales mediante un proceso de razonamiento de este tipo". [32]
Carnot publicó su libro en junio de 1824, y fue presentado en ese momento a la Academia Francesa de Ciencias por Pierre-Simon Girard . Girard también publicó una reseña elogiosa pero bastante amplia del libro en la Revue encyclopédique , pero después de eso el libro parece haber caído en el olvido. Fue solo después de la publicación de un extenso comentario y explicación del trabajo de Carnot por Émile Clapeyron en 1834 que los ingenieros y científicos comenzaron a interesarse en las contribuciones de Carnot. El artículo de Clapeyron fue traducido al inglés en 1837 y al alemán en 1843. [33]
Kelvin leyó el trabajo de Clapeyron en 1845, mientras visitaba el laboratorio de Henri Regnault en París , pero fue recién a fines de 1848 que Kelvin pudo leer el trabajo original de Carnot, en una copia que le proporcionó Lewis Gordon . Independientemente de Kelvin, el físico alemán Rudolf Clausius también basó su estudio de la termodinámica en el trabajo de Carnot. Clausius modificó los argumentos de Carnot para hacerlos compatibles con la equivalencia mecánica del calor . Esto luego llevó a Clausius a definir el concepto de entropía y a formular la segunda ley de la termodinámica .
El texto de Carnot fue reimpreso en 1871 en los Annales Scientifiques de la École normale supérieure , y nuevamente por Gauthier-Villars en 1878 con la colaboración de Hippolyte Carnot. En 1890, RH Thurston publicó una traducción al inglés del libro . [34] Esa versión ha sido reimpresa en las últimas décadas por Dover . En 1892, Lord Kelvin se refirió al ensayo de Carnot como "un regalo que hizo época a la ciencia".
Carnot publicó su libro en el apogeo de las máquinas de vapor. Su teoría explicaba la ventaja de las máquinas que utilizan vapor sobrecalentado, ya que absorben calor de un depósito a una temperatura más alta. Sin embargo, el trabajo de Carnot no condujo a ninguna mejora práctica inmediata de las tecnologías de vapor. Fue solo hacia fines del siglo XIX que los ingenieros implementaron deliberadamente los conceptos clave de Carnot: que la eficiencia de un calor se mejora al aumentar la temperatura a la que se absorbe el calor y al minimizar el flujo de calor entre cuerpos a diferentes temperaturas. En particular, Rudolf Diesel utilizó el análisis de Carnot en su diseño del motor diésel , en el que el calor se inyecta a una temperatura mucho más alta que en las máquinas de vapor más antiguas, y en el que el calor de la combustión del combustible se destina principalmente a expandir el aire en el cilindro (en lugar de aumentar su temperatura). [35]
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El hermano menor de Sadi, Hippolyte, ocultó los detalles de la muerte de Sadi y destruyó la mayoría de sus documentos personales. [36] Mucho más tarde, en 1878, cuando el ensayo de Carnot había llegado a ser ampliamente reconocido como un documento fundador de la nueva ciencia de la termodinámica, Hippolyte patrocinó la publicación de una nueva edición que incluía una "Nota biográfica sobre Sadi Carnot" escrita por Hippolyte, junto con algunos "Extractos de notas inéditas de Sadi sobre matemáticas, física y otros temas". Estas son las únicas fuentes de información sobre muchos aspectos de la vida y el pensamiento de Sadi. En opinión del historiador de la ciencia Arthur Birembaut, la "cortina de humo" que Hippolyte dibujó sobre la vida de su hermano hace que sea imposible ahora reconstruir los detalles de la carrera de Sadi, su relación con otros físicos e ingenieros y las circunstancias de su muerte. [37]
Entre las notas privadas publicadas por Hippolyte en 1878 hay material que indica que Sadi Carnot había, en la primavera de 1832, rechazado la teoría calórica y aceptado la equivalencia de calor y trabajo . [38] En sus notas, Carnot escribió que
El calor es simplemente fuerza motriz, o más bien movimiento que ha cambiado de forma. Es un movimiento entre las partículas de los cuerpos. Donde hay destrucción de fuerza motriz hay, al mismo tiempo, producción de calor en cantidad exactamente proporcional a la cantidad de fuerza motriz destruida. Recíprocamente, donde hay destrucción de calor hay producción de fuerza motriz. [39] [40]
En esas mismas notas Carnot estimó que 1 kilocaloría equivale a 370 kg·m, mientras que el valor actualmente aceptado es de 427 kg·m. [41] Sin embargo, Carnot no publicó nada de ese trabajo, y es posible que su incertidumbre acerca de las consecuencias para la validez de su análisis previo en las Reflexiones de rechazar la teoría calórica pudiera explicar por qué no continuó con su trabajo de 1824 antes de su prematura muerte.
Tras el trabajo de Kelvin y Clausius, Carnot llegó a ser considerado ampliamente como el "padre de la termodinámica". [42] En 1970, la Unión Astronómica Internacional bautizó al cráter lunar con el nombre de Carnot en su honor. En 1991, el planeta menor 12289 también recibió su nombre en honor a Carnot.
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