12 giu 1824: Sadi Carnot pubblica trattato sui motori termici

Oggi inseriamo le leggi della termodinamica tra le basi fondamentali della fisica moderna. Tuttavia, ancora in tempi relativamente recenti, all'inizio del 19° secolo, nessuno aveva ancora codificato le leggi della termodinamica, in termini fisici precisi. Questo processo iniziò con il lavoro di un poco noto fisico francese di nome Sadi Carnot.

Nato nel 1796, Carnot era il figlio di un aristocratico francese di nome Lazare Carnot. Suo padre era uno degli uomini più potenti di Francia prima della disfatta di Napoleone, le fortune della famiglia cambiarono drasticamente e repentinamente durante tutta la vita del giovane Sadi in concomitanza con quella della monarchia.

Chiamato come il poeta persiano Sadi di Shiraz, Carnot studiò matematica, scienze, lingua e musica sotto stretta tutela di suo padre. A 16 anni, entrò nella Ecole Polytechnique, studiando con scienziati del calibro di Claude-Louis Navier, Siméon Denis Poisson, e André-Marie Ampère.

Dopo la laurea, Carnot completò un corso biennale in ingegneria militare a Metz, poco prima del breve ritorno di Napoleone dall'esilio nel 1815. Quando Napoleone fu sconfitto nel mese di ottobre dello stesso anno, il padre di Carnot fu esiliato in Germania. Non tornò mai in Francia. Carnot figlio, insoddisfatto dalle scarse prospettive offertegli dalla carriera militare, alla fine decise di seguire i suoi interessi accademici.

Nel 1821, visitò il padre in esilio e il fratello, Hippolyte, in Germania, dove ebbe molte discussioni circa i motori a vapore. La potenza del vapore era stata già utilizzata per il drenaggio delle miniere, la forgiatura del ferro, la macina del grano, e la tessitura di stoffe, ma i motori progettati in Francia non erano efficienti come quelli progettati dagli inglesi. Convinto che la tecnologia superiore dell'Inghilterra in questo campo aveva contribuito alla caduta di Napoleone e alla perdita di prestigio della sua famiglia e della relativa fortuna, Sadi Carnot si gettò a capofitto nello sviluppo di una teoria "robusta" per i motori a vapore.

Anche se il motore a vapore era abbastanza ben sviluppato in quel momento, l'efficienza di quei primi motori era di circa il 3%. Gli ingegneri stavano sperimentando con fervore con altri mezzi meccanici e combustibili per migliorarne l'efficienza. Il principio di conservazione dell'energia era abbastanza nuovo e piuttosto controverso tra gli scienziati del tempo. Ci sarebbe voluti altri 20 anni prima che qualcuno scoprisse l'equivalente meccanico del calore. Quando Carnot iniziò i suoi studi, lui e i suoi coetanei aderivano  ad una teoria del calore, che supponeva che il calore fosse un fluido invisibile e senza peso che scorreva quando non era in equilibrio.

Il padre di Carnot mori' nel 1823. Quello stesso anno, Carnot scrisse un documento per tentare di trovare una espressione matematica per il lavoro prodotto da un chilogrammo vapore, ma non fu mai pubblicato. In realtà, il manoscritto non fu scoperto fino al 1966. Affrontò quindi le due questioni fondamentali riguardanti i motori a vapore del suo tempo: (1) se ci fosse un limite superiore alla potenza del calore, e (2) se ci fosse un combustibile migliore del vapore in grado di produrre questo tipo di potenza.

Nel 1824 pubblicò "Riflessioni sulla forza motrice del fuoco", dove descrisse un teorico "motore termico", in grado di produrre la quantità massima di lavoro per una determinata quantità di energia termica immessa nel sistema. Carnot astrasse ciò che egli considerava i componenti critici del motore a vapore in un modello teorico ideale. Il cosiddetto ciclo di Carnot trae energia dalle differenze di temperatura tra una serbatoio "caldo" e uno "freddo". Anche se era solo un costrutto teorico, furono le idee del Carnot che ispirarono Rudolf Diesel a progettare un motore con una temperatura molto più alta nel più caldo dei due serbatoi, con conseguente efficienza di gran lunga maggiore.

Carnot sapeva che, in pratica, il suo motore avrebbe sempre perso una piccola quantità di energia per attrito, il rumore e le vibrazioni, tra gli altri fattori. Sapeva che per avvicinarsi alla massima efficienza in un motore termico, sarebbe stato necessario ridurre al minimo le perdite di calore causate dalla conduzione di calore tra corpi a temperature diverse. Sapeva anche che nessun motore del mondo reale avrebbe potuto raggiungere quella perfetta efficienza. Di conseguenza, era vicinissimo a scoprire la seconda legge della termodinamica.

Per quanto riguarda la questione circa quale sostanza producesse la più alta quantità di lavoro, Carnot si impegnò in una discussione sui meriti relativi dell'aria rispetto al vapore per quello che defini' il "fluido di lavoro", ma concluse che la massima efficienza di un motore termico ideale non dipendeva dal fluido di lavoro. Infatti osservò, "La forza motrice del calore è indipendente degli agenti impiegati per realizzarla, la sua quantità è fissata unicamente dalle temperature dei corpi fra i quali sono effettuati, i trasferimenti di calore". Cioè, l'efficienza del "motore Carnot" dipende solo dalla differenza di temperatura all'interno del motore.

Le "Riflessioni sulla forza motrice del fuoco" non attirano molta attenzione al loro primo apparire, e cominciavano a guadagnare notorietà solo un paio di anni dopo, quando avvenne la morte prematura di Carnot a causa del colera, all'età di 36 anni, tra la miriade di vittime dell'epidemia che investì Parigi nel 1832. La maggior parte dei suoi effetti personali e scritti furono sepolti con lui, come misura precauzionale per prevenire l'ulteriore diffusione della malattia.

Descritto dai contemporanei come "sensibile e percettivo", ma anche "introverso" e "distaccato", Carnot era almeno 20 anni in avanti rispetto al suo tempo. Nel breve termine, il suo lavoro non ha subito portato a macchine a vapore più efficienti, o qualsiasi altra applicazione pratica. Il suo contributo duraturo è stato quello di fissare i confini fisici in modo così preciso che Rudolf Clausius e William Thomson (Lord Kelvin) ne avrebbero ricavato le basi della termodinamica moderna negli anni 1840 e 1850.