Nicolas Léonard Sadi Carnot

A lui si devono importantissimi contributi alla termodinamica teorica; tra questi, la teorizzazione di quella che sarà chiamata la macchina di Carnot, il ciclo di Carnot, la batteria di Carnot e il teorema di Carnot, il cui enunciato afferma che qualsiasi macchina termodinamica, che lavori tra due sorgenti di calore a diversa temperatura, deve necessariamente avere un rendimento che non può superare quello della macchina di Carnot.

Biografia Nicolas-Léonard-Sadi Carnot nacque il 1º giugno 1796 a Parigi, presso Palazzo del LussemburgoM. Hippolyte Carnot, Life of Sadi Carnot, Second revised edition, John Wiley & Sons, 1897.

Era figlio di Lazare Carnot, generale, matematico, fisico e politico francese (membro della Convenzione Nazionale e del Direttorio). Suo fratello era lo statista Lazare Hippolyte Carnot e suo nipote Marie François Sadi Carnot, figlio di Hippolyte, fu presidente della repubblica dal 1887 al 1894. Lazare chiamò in questo modo Carnot in onore del poeta e moralista persiano Saadi. Un anno dopo la nascita di Sadi, il padre fu accusato di complottare con i realisti, ma riuscì a sfuggire alla morte scappando in esilio in Svizzera mentre la moglie fuggì insieme alla sua famiglia a St. Omer.

Sadi era di costituzione delicata, ma si irrobustì per mezzo di esercizi fisici. Era dotato di un'elevata sensibilità e allo stesso tempo di una estrema energia, era più che riservato, quasi maleducato, ma straordinariamente coraggioso se necessario.

Dopo l'ascesa al potere nel 1799 Napoleone fece richiamare in Francia Lazare Carnot, nominandolo Ministro della Guerra, affidandogli il reclutamento e l'addestramento degli ufficiali e la riorganizzazione dell'esercito francese stanziato in Germania. Quando Lazare andava a Malmaison per lavorare con il primo console, lasciava spesso il figlio, di circa quattro anni, in custodia di Madame Bonaparte che gli si affezionò.

La curiosità, riguardo alla fisica e in particolare alla meccanica, era uno dei tratti essenziali dei suoi interessi. I suoi studi presero una direzione scientifica frequentando dapprima il corso tenuto da M. Bourdon presso il Lycée Charlemagne e poi le lezioni dell'École polytechnique, alle quali fu ammesso, nel 1812, alla tenera età di 16 anni. Secondo alcuni storici egli, assieme agli studenti del Politecnico, avrebbe partecipato alla campagna della collinetta di Chaumont, ma questo fu smentito da M. Chasles nel 1869. Invece si sa che il battaglione del Politecnico partecipò all'impresa militare di Vincennes, nel marzo del 1814. Nel mese di ottobre Sadi lasciò il Politecnico, classificandosi sesto nella lista dei giovani uomini destinati al servizio nel corpo degli ingegneri e andò a Metz in qualità di sottotenente della scuola.

Nel 1818 arrivò un'inaspettata ordinanza reale che obbligava tutti gli ufficiali in servizio a presentarsi agli esami per i nuovi corpi del personale. Nel gennaio del 1819 Sadi si recò a Parigi per sottoporsi all'esame e fu nominato tenente del personale. Successivamente ottenne il congedo dedicandosi allo studio che interruppe solo nel 1821 per recarsi dal padre, in Germania, il quale morì due anni dopo.

Di lì in avanti, oltre a occuparsi agli studi scientifici, Sadi si interessò alla cultura delle arti. Fu un precursore dei movimenti artistici e letterari che si svilupperanno in seguito alla rivoluzione del 1830. Stimava l'utile e il bello, frequentava il museo del Louvre, il Teatro Italiano, il Jardin des Plantes e il Conservatoire national des arts et métiers. La musica era un'altra delle sue passioni, probabilmente ereditata da sua madre la quale era un'eccelsa pianista. Il suo insaziabile intelletto non gli consentiva di rimanere estraneo a nessun ramo della conoscenza.

Sadi viveva col fratello Hippolyte in un piccolo appartamento nella ‘Rue de Parc Royale'. Un giorno chiese al fratello di leggere alcuni passaggi del suo manoscritto per capire se questo potesse essere compreso da persone che si occupavano di altri studi.

Era molto riservato e spesso nelle conversazioni con alcuni amici, li teneva all'oscuro delle scoperte scientifiche che aveva accumulato. Il suo freddo comportamento inoltre mascherava la sua bontà e cortesia.

Verso la fine del 1827 Carnot ritornò nel corpo degli ingegneri col grado di capitano.

Visitò frequentemente M. Clement Desormes, professore al ‘Conservatoire des Arts et Metiers', il quale gli diede molti consigli riguardanti la chimica.

Nel 1824, a soli 28 anni, pubblicò l'opera Réflexions sur la puissance motrice du feu (Riflessioni sulla potenza motrice del fuoco). Le conclusioni a cui giunse in quest'opera, anche se basate ancora sull'ammissione dell'esistenza di un fluido ipotetico denominato calorico, sono estremamente importanti e vengono considerate il punto di partenza dal quale Clausius e Lord Kelvin giunsero a stabilire in forma rigorosa il secondo principio della termodinamica. Purtroppo questi studi furono interrotti dalla Rivoluzione di luglio, nel 1830.

Prima del 1830 creò parte della ‘Réunion polytechnique industrielle', costituita da vecchi studenti del Politecnico che avevano un piano di studi in comune e, dopo il 1830, divenne membro della ‘Association polytechnique', costituita da laureati che come avevano come obiettivo la diffusione della conoscenza.

Nel 1832 la sua eccessiva dedizione al lavoro compromise la sua salute. Un'infiammazione polmonare e, successivamente, la scarlattina, lo costrinsero a letto per venti giorni. Nel mese di agosto ebbe una ricaduta causata da febbre cronica e il 24 agosto del 1832 Sadi morì a causa di un'epidemia di colera. La sua tomba è visitabile presso il cimitero di Ivry-sur-Seine. Per evitare il contagio, subito dopo la sua morte, i suoi effetti personali vennero bruciati, cosicché andarono distrutti quasi tutti i suoi scritti non ancora pubblicati. M. Robelin fu uno degli amici più intimi di Sadi che aiutò Hippolyte a curare il fratello durante la sua ultima malattia e che pubblicò una nota riguardante l'amico nella “Revue encyclopédique”.

Studi e accoglienza nel mondo scientifico All'età di 16 anni, entrò nell'École polytechnique, dove suoi contemporanei come Claude-Louis Navier e Gaspard-Gustave Coriolis erano allievi di Joseph Louis Gay-Lussac, Siméon-Denis Poisson e André-Marie Ampère. Dopo la laurea, divenne ufficiale del genio militare dell'Esercito francese conseguendo il grado di capitano, prima di dedicarsi ai suoi studi dopo il 1819 che lo portarono a essere considerato il più importante scienziato, tra i contemporanei di Jean Baptiste Joseph Fourier, che si dedicò allo studio del calore.

L'opera di Carnot ricevette un'onorevole accoglienza, compresa quella dell'Accademia francese delle scienze, presso la quale Pierre Simon Girard, accademico e direttore di una rivista scientifica, li presentò nella seduta del 14 giugno 1824, completando la presentazione con un rendiconto analitico in forma orale agli altri membri dell'Accademia il 26 luglio 1824. È chiaro che una presentazione all'Accademia sotto forma di Memoria avrebbe consentito di attirare l'attenzione della comunità scientifica sui lavori di Sadi Carnot, comportando come normale conseguenza una pubblicazione nel Recueil des Savants étrangers. Così né la "grande scienza" francese, rappresentata dallInstitut de France, né la celebre École polytechnique, reagirono all'uscita dell'opera di Carnot, non avendone compresa appieno la portata. Da parte sua Sadi, che pare non avesse affatto il senso della pubblicità, omise di inviarne copia alla biblioteca della Scuola superiore delle Miniere di Parigi e una alla Scuola dei ponti e della strade, privandosi così di un uditorio scelto, esattamente come ne omise l'invio agli Annales de Chimie et de Physique e agli Annales des Mines. Inoltre si deve notare che, nonostante una tiratura limitata, certe copie invendute furono trovate intonse. Autori vari, Sadi Carnot et l'essor de la thermodynamique, CNRS Éditions 1 Septembre 1998 ISBN 2-222-01818-8

Da parte degli ingegneri solo Pierre-Simon Girard ne fece un pieno elogio. Alla comparsa della Réflexions, gli ingegneri avevano già compreso per esperienza che il vapore era un mezzo assai soddisfacente, indipendentemente dal combustibile che lo generava, e quando Carnot affermava che questo era fondato su una vera e propria teoria, non ne videro che una conferma astratta.

Riflessioni sulla potenza motrice del fuoco Il trattato è stato pubblicato da Guiraudet Saint-Amé nel 1824.

Il tema del trattato viene esposto senza che siano state previste dall'autore delle suddivisioni per argomento. Per chiarire alcuni passaggi Carnot ha aggiunto delle note a pié di pagina con i dovuti riferimenti agli esperimenti e alle affermazioni di altri studiosi.

Per facilitare l'esposizione degli argomenti contenuti nel trattato proponiamo di seguito una suddivisione arbitraria.

Osservazioni introduttive Il calore è in grado di produrre forza motrice come testimoniano numerosi fenomeni naturali (l'ascensione delle nuvole, lo spostamento delle masse d'acqua marine, vulcani, terremoti, ecc.) che si basano proprio su questo principio. La natura stessa permette inoltre all'uomo di avere a disposizione immense riserve di combustibile per ricavare energia dal calore.

Carnot conferisce agli ingegneri inglesi il merito di essere stati i primi a esplorare le possibilità derivanti dalla produzione di energia dal calore. Al suo tempo infatti le prime macchine termiche erano state costruite proprio da ingegneri inglesi. Queste macchine erano nate con un'applicazione pratica immediata nel campo industriale dove erano impiegate per facilitare alcuni processi produttivi come il drenaggio delle miniere di carbone e di ferro.

Rimaneva ancora molto da scoprire in questo campo poiché i padri delle macchine termiche per arrivare alla loro realizzazione avevano proceduto per tentativi senza conoscere fino in fondo i principi teorici che permettevano alle loro macchine di funzionare. Lo studio delle macchine termiche e del calore risulta essere di grande interesse per Carnot che, riconoscendone il grande potenziale, arriva a dire che con uno studio metodico dei principi teorici fondamentali sarebbe stato possibile portare il mondo civilizzato a una grande rivoluzione.

La macchina termica ideale

Carnot si propone di trovare dei principi che siano validi per tutte le macchine termiche possibili e non solo per quelle che funzionano con il vapore.

Requisito fondamentale per la produzione di forza motrice è la variazione di volume che può verificarsi per qualsiasi mezzo utilizzato. Con i gas la variazione di volume è più pronunciata anche per piccoli cambiamenti di temperatura; questo fatto rende i gas il mezzo più adatto per la produzione di forza motrice dal calore. È importante sottolineare che il vapore, o qualsiai altro mezzo impiegato, è solo un mezzo per il trasporto del calorico.

La produzione di forza motrice non è dovuta a un consumo di calorico, ma al suo trasporto da un corpo caldo a un corpo freddo.

Carnot assume come verità autoevidente la proposizione:

La forza motrice prodotta non dipende dalla sostanza utilizzata (dimostrazione basata sulla macchina a vapore) Immaginiamo due corpi: A (la fornace) e B (il refrigeratore). Entrambi sono tenuti a temperatura costante in modo che quella di A sia maggiore di quella di B. Questi due corpi possono perdere calore senza variare la loro temperatura, diventando due illimitate riserve di calorico. Per produrre forza motrice, attraverso il passaggio di una certa quantità di calore dal corpo A al corpo B, dovremo procedere come segue: prelevare calorico dal corpo A (metallo che compone il bollitore negli ordinari motori) e utilizzarlo al fine di produrre vapore acqueo, il quale sarà alla stessa temperatura del corpo con cui è a contatto;