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Carnot, Sadi-Nicolas

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Biografia

Fisico e ingegnere francese (Parigi 1796-1832). Figlio di Lazare-Nicolas, si formò all'École Polytechnique servendo poi l'esercito come ufficiale del Genio fino al 1828, quando si dimise per dedicarsi esclusivamente alla ricerca scientifica. Morí quattro anni più tardi in un'epidemia di colera. Tra i maggiori fisici dell'Ottocento, viene considerato uno dei fondatori della termodinamica per averne posto le basi nell'unica opera che pubblicò: Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance (1824; Riflessioni sulla potenza motrice del fuoco e sulle macchine in grado di svilupparla). Carnot postulò che, analogamente a quanto avviene nelle macchine idrauliche (nelle quali il lavoro prodotto dipende dal peso dell'acqua per l'altezza da cui cade), nelle macchine termiche il lavoro dipende dalla quantità di calorico (inteso come fluido imponderabile e indistruttibile) trasferita dalla sorgente a temperatura maggiore (caldaia) a quella a temperatura minore (refrigeratore) e che il rendimento non dipende dalle caratteristiche del fluido, ma solo dalla differenza di temperatura fra le due sorgenti. Carnot poté provare questo suo fondamentale teorema dando una formulazione ideale del funzionamento della macchina, in base ai concetti di ciclicità e reversibilità, e dimostrando che se tale teorema non fosse valido si avrebbe produzione di moto perpetuo. Condizione generale per il massimo rendimento della macchina è l'assenza di dispersione del calore. Mediante il funzionamento ciclico la macchina può essere ricondotta alle sue condizioni iniziali, cioè il vapore viene di nuovo riscaldato alla temperatura della caldaia così da poter assorbire calorico da essa in condizioni isotermiche (evitando dispersioni). Anche la fase in cui si ha caduta di temperatura e produzione di lavoro avviene in condizioni adiabatiche, cioè senza trasmissione di calorico. Il concetto di reversibilità, ispiratogli dall'opera del padre, permette di concepire il funzionamento inverso della macchina, per cui applicando a essa lavoro si può trasferire calore dalla sorgente più fredda a quella più calda. L'opera di Carnot, che rappresenta un esemplare contributo della tecnica alla fisica teorica, rimase pressoché ignota sino alla metà dell'Ottocento quando H. Helmholtz e soprattutto R. Clausius e W. Thomson ne trassero le fondamentali implicazioni per la fondazione della nuova termodinamica.

Macchina di Carnot

Macchina ideale costituita da un cilindro con un pistone, entrambi di materiale perfettamente isolante del calore. La base del cilindro è invece di materiale che conduce perfettamente il calore. Il cilindro contiene un fluido assimilabile a un gas perfetto. Operando con la base del cilindro posata su un termostato, si possono effettuare sul fluido trasformazioni isotermiche (cioè a temperatura costante); operando con la base poggiata su un isolante termico perfetto si possono effettuare trasformazioni adiabatiche (cioè senza scambio di calore con l'ambiente esterno). Il ciclo termodinamico reversibile ideale, costituito da una trasformazione isotermica, una adiabatica, una seconda isotermica e una seconda adiabatica, è detto ciclo di Carnot; per quanto non sia realizzabile in natura ha una grande importanza teorica.

F. O. Koenig, On the History of Science and the Second Law of Thermodynamics, in “Men and Moments in History of Science”, Washington, 1959; R. Fox, Watt's Expansive Principle in the Work of Sadi Carnot and Nicholas Clément, in “Notes and Records of the Royal Society”, n. 24, pagg. 233-243, 1970; H. Sissom, An introduction to Second Law of Thermodynamics, Boston, 1977.