CARNOT, Sadi (1796-1832)
Fransız fizikçi. İdeal bir ısı makinesinin çalışma prensibini incelemiş, termodinamiğin temelini atmıştır.
Nicolas Leonard Sadi Carnot 1 Haziran 1796’da Paris’te doğdu, 24 Ağustos 1832’de Paris’te öldü. Babası Lazare Carnot, I. Fransız Cumhuriyeti’nde Direktuvar’m beş üyesinden biri olarak görev almıştı. Büyük İranlı şair Sadi’ye duyduğu hayranlık nedeniyle en büyük oğluna Sadi adını verdi. Carnot’nun çocukluğu boyunca ailesinin yaşantısı çalkantılı geçti. Doğumundan birkaç ay sonra aile Paris’ten ayrılmak zorunda kaldı. Bir süre sonra Lazare Carnot Napoleon’un savaş bakam olarak yeniden göreve getirildiyse de 1807 yılında emekliye ayrıldı. Bu tarihten sonra oğullarının eğitimi onun başlıca uğraşı oldu. Sadi matematik, fizik doğabilim, yabancı diller ve müzik konularında iyi bir eğitim gördü. Yeteneğini farkeden ailesinin de teşvikiyle 16 yaşında ı Ecole Polytechni-que’e girdi. 1812-1814 arasında Poisson, Gay-Lussac, Ampere ve Arago gibi ünlü öğretmenlerden analiz, mekanik, tasarı geometri, kimya konularında ders aldı. 1814’ün Martı’nda Paris kuşatması sırasında arkadaşları ile birlikte gönüllü olarak Vincennes çatışmasına katıldı. Aynı yıl sınıfının akıncısı olarak mezun oldu ve teğmen rütbesiyle Metz’deki Ecole de Genie’ye iki yıllık askeri mühendislik kursuna gönderildi. Bu sıralarda yazdığı bilimsel makaleler bugün kaybolmuştur. I. Napoleon’un 100 günlük ikinci iktidarında babası içişleri bakanlığı görevine getirildi, ancak 1815 Ekimi’nde Restorasyon Dönemi başlayınca bir daha geri gelmemek üzere Almanya’ya sürgüne gönderildi.
Carnot 1816 sonlarına doğru askeri mühendislik kursunu tamamladı, üsteğmen rütbesiyle Metz istihkâm alayına atandı. Babasının adı ve Napoleon ile olan yakınlığı Restorasyon’un. ilk yıllarında güçlüklerle karşılaşmasına yol açtı. 1816-1819 arasında garnizonlardaki tahkimatı incelemekle görevlendirildi. 1819’da kazandığı bir sınav sonucunda Genelkurmay karargâhına atandı. Kısa bir süre sonra bu görevden ayrıldı; orduda yan maaşlı yedek personel olarak Paris’e yerleşti. Yaşamının sonuna değin burada matematik, fizik, teknoloji ve müzikle uğraştı. Sorbonne, College de France, vb. okullarda birçok derslere dinleyici olarak katıldı. Bu sırada buhar makinesi ve gazlar kuramı ile ilgili araştırmalar yapan, uygulamalı kimya dersleri veren Nicolas Clement ile arkadaş oldu. Carnot’nun buhar makinesinin ideal verimi konusu ile ilgilenmesinde Clement’in etkisi oldu.
Napoleon savaşlarında Fransa’nın yenilgisi üzerine Carnot, yenilginin nedenlerini araştırmaya başladı. Bu amaçla gezdiği fabrika ve atölyeleri hem mühendislik hem ekonomi açısından inceledi, sonunda bu yenilginin başlıca nedeninin Ingiltere’ye göre Fransız sanayiinin gelişmemişliği olduğuna karar verdi. Ingiltere’de sanayinin gelişmesinin önemli bir nedeni ise bu ülkenin buharı verimli bir biçimde
kullanmasıydı. İngiltere’de bu gelişmeyi bilim adamlarından çok pratik bilgileri ile mühendisler gerçekleştirmişlerdi. Çeşitli tipteki buhar makinelerinin verimini hesaplamayı başardıkları için gereksinmelere göre düşük basınçlı ya da yüksek basınçlı, tek silindirli ya da çok silindirli makinelerin birbirine olan üstünlüklerini biliyorlardı. Carnot bunun üzerine buhar makinelerinin verimi ile ilgili araştırmalarına başladı. 1821’de çalışmalarına kısa bir süre ara vererek Magdeburg’da sürgünde olan babası ve kardeşi Hippolyte’i ziyaret etti. 1823’te babasının ölümü üzerine Hippolyte de Carnot’nun yanma gitti. Carnot, araştırmalarının sonunda yazdığı makalenin olabildiğince geniş bir okuyucu kitlesi tarafından anlaşılabilmesini sağlamak için kardeşinin yardımından ve eleştirilerinden yararlandı. Reflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres a developper cette puissance (“Isının Hareket Ettirici Gücü ve Bu Gücü Geliştirmeye Yarayan Makineler Üzerine Düşünceler”) başlıklı bu kitap oldukça olumlu karşılanmakla birlikte yeterince dikkat çekmedi.
Carnot araştırmalarını kitabının yayımından sonra da sürdürdü. Bu çalışmalarından bazıları notlar halinde günümüze gelmiştir. 1827’de orduda aktif bir göreve getirilerek yüzbaşı rütbesiyle Lyon ve Auxon-ne’da istihkâm subaylığına atandı. 1828’de bu görevinden istifa ederek Paris’e döndü; buhar makinesi tasarımı ve ısı kuramı ile ilgili çalışmalarını sürdürdü. Ancak çalışmalarını yalnız yürütüp, çok az kişiyle tartışması nedeniyle araştırmalarını birkaç yakın arkadaşı dışında bilen yoktu.
Carnot 1830 Devrimi’ni olumlu karşıladı; ancak, kendisine önerilen meclis üyeliğini, bu görevin yaşam boyu olması nedeniyle kabul etmedi. 1831 yılında gazların fiziksel özellikleri ile basınçlarının sıcaklıkla olan ilişkisini incelemeye başladı. 1832’de önce üst üste birkaç hastalık geçirdikten sonra Paris’teki kolera salgınından kurtulamadı. Ölümünden sonra notlarının çoğu yakılmıştır.
Sadi Carnot’nun bilimsel çalışmalarından günümüze değin gelebilenler . 1823’te yazmış olduğu 21 sayfalık, buharın yaptığı mekanik işi veren bir formülle ilgili bir makalesi, 1824’te yayımladığı kitabı, birkaç araştırma notu, Watt’a ait iki bilimsel makalenin çevirisi ve çeşitli matematik ve fizik derslerine ait notlardır. 1823’te yayımladığı ilk çalışmasında, bir kilogram buhardan kuramsal olarak elde edilebilecek işi hesapladı. Clement’in doymuş buharla ilgili çalışmalarından ve Dalton’un buhar basıncı cetvelinden yararlanarak bu işin yalnızca buharın sıcaklığına bağlı olduğunu gösterdi. Bunu yaparken buhar makinesinin işleyişini üç aşamada inceledi; buhar silindire girerken eşsıcaklıkta genleşiyor, silindire girdikten sonra eşısılı olarak genleşmeye devam ediyor, silindiri terkettikten sonra eşsıcaklıkta yoğunlaşıyordu. Bu model, buhar makinesindeki pistonunun hareketi bakımından geçerliydi; buharın kazanda ısıtılması aşamasını kapsamıyordu. Carnot’nun 1823’te yayma hazırladığı, ancak yayımlamadığı bu makale 1966’da bulunmuştur.
Carnot 1824’te yayımladığı 118 sayfalık kitabında buhar makinesinin sanayileşme, politika ve ekonomideki önemini anlattıktan sonra bu makinenin gelişmesini engelleyen iki soruna dikkati çeker. Birincisi, ısının harekete dönüştürülmesindeki verimin kuramsal bir sınırı var mıydı? İkincisi ısıyı harekete dönüştürmede buhardan daha verimli bir madde var mıydı? Bu sorunların incelenmesinde Carnot’dan önceki araştırmacılar ya belirli buhar makinelerinin kullandığı yakıt miktarını ve ortaya çıkardığı işi deneysel olarak incelemişler ya da gaz kuramını belirli bir tip makinenin işleyiş sürecine uygulamışlardı. Carnot’ nun bu konuda getirdiği yenilik, bilinen tüm ısı makinelerine uygulanabilen ve geçerliliği kabul edilmiş ilkelere dayalı genel bir kuramı ortaya atmak oldu. Çalışmasına temel olarak üç ilkeden hareket etti. İlk ilkesi, sürekli hareketin (bir sistemin herhangi bir enerji almadan sürekli hareket halinde olması) olanaksızlığıydı, ikinci ilkesi ise o sıralarda en geçerli ısı kuramı olarak bilinen “kalorik” kuramıydı. Bu kurama göre ısı ya da “kalorik” yaratılması ya da yok edilmesi olanaksız kütlesiz bir akışkandı. Bir cismin soğurduğu ya da yaydığı ısı miktarı yalnızca bu cismin başlangıç ve sonuç durumlarına bağlıydı, başlangıç durumundan sonuç durumuna geliş sürecinden bağımsızdı. Üçüncü ilkesi ise hareket enerjisini sağlayan öğenin sıcaklık farkından ortaya çıktığıydı. Hareket enerjisi “kalorik”in harcanmasından değil, tıpkı yüksek düzeyden alçak bir düzeye düşen suyun bir su değirmenini çevirmesinde ‘olduğu gibi sıcak bir bölgeden soğuk bir bölgeye taşınmasından ortaya çıkıyordu. Bu nedenle elde edilen hareket enerjisi miktarı hem taşman “kalorik” (ısı) miktarına hem de bunun hangi sıcaklıktan hangi sıcaklığa düştüğüne bağlıydı. Carnot ayrıca bu süreçlerin tersinin de var olduğunu, hareket enerjisinden yararlanarak ısının soğuk bir bölgeden sıcak bir bölgeye taşınabileceğini de kabul etti.
Termodinamik Üzerine Kuramsal Çalışmaları
Carnot ısı makinelerine bir model olarak dört aşamalı bir ideal süreç ortaya attı. Bu sürece “Carnot süreci”, bu süreçle çalışan ideal ısı makinelerine de “Carnot makinesi” adı verilmiştir. Bu çalışmasının 4 sonucunda Carnot teoremi adı ile bilinen ve termodinamiğin ikinci kuralına eşdeğer olan bir sonuç elde etti. Isının hareket enerjisi ile ilgili çalışmalarını sürdürürken gazların fiziksel özellikleri ile de ilgilendi. Gazların eşsıcaklıklı ve eşısılı süreçlerdeki özellikleri deneysel olarak daha önce incelenmiş, Laplace ve Poisson tarafından matematik formüller şeklinde ifade edilmişti.
Carnot kendi teoremini bu sonuçlarla birleştirdi ve yedi teorem ispat etti. Bu teoremlerin ispatında o sıralarda bilim dünyasında moda olan cebirsel analiz yöntemlerini değil, geometrik ve mantıksal bir yol kullandı. Bu yedi teoremden biri dışında hepsi bugün de geçerliliğini korumaktadır. Teoremlerden üçü termodinamik alanında çok önemli buluşlardı. Bu teoremlerden biri tüm gazların eşsıcaklıktaki bir süreç sonunda aynı ısıyı soğurdukları ya da yaydıkları sonucunu veriyordu. 1828’de Dulong deneysel olarak aynı sonuca erişti, ancak Carnot’nun çalışmasını kaynak olarak göstermedi. Diğer iki önemli teoremden biri, tüm gazların sabit basınç ve sabit hacim altında ısıtılmaları sonucu bulunan özısı-larmdaki farkın tüm gazlar için aynı olduğunu, diğeri ise “kalorik”in eşit sıcaklık farklarından düşmesi sonucu yarattığı hareket enerjisinin, bu farkın bulunduğu sıcaklık arttıkça azaldığını belirtiyordu. Örneğin aynı miktarda “kalorik”in 230 dereceden 220 dereceye düşmesi, 130 dereceden 120 dereceye düşmesinden daha az enerji yaratıyordu. Clapeyron ve Kelvin’in bu alandaki çalışmaları bu son teoremi cebirsel olarak ispat etmek ve deneyle olan uyumunu daha duyarlı bir şekilde gerçekleştirmek amacına yönelikti. Carnot yapıtının son bölümünde buhar makinesinin kuramsal verimini hesaplayarak tüm gazlar için bu verimin en üst değerinin aynı olduğunu gösterdi. Ancak ortaya attığı buhar makinelerinin tasarımı, bunlarda kullanılacak en ideal maddenin ne olduğu sorusuna yanıt getiremedi. Carnot’nun bu alandaki asıl katkısı ısı teorisinin mikroskopik bir kuram olarak incelenebileceğini göstermesi oldu. Gaz parçacıklarının, çevredeki “kalorik” ile etkileşmelerini incelemek yerine basınç, hacim, sıcaklık ve iş gibi tek tek moleküllere değil de gazın tümüne ait makroskopik büyüklüklerin incelenmesi çığrını açtı. Isı kuramına ideal makine, çevrimsel süreç ve tersinir süreç kavramlarını getirdi.
Carnot’nun çalışmaları 1834 yılına değin fazla dikkat çekmedi. Bunun başlıca nedeni, çalışmalarının doğruluğu giderek tartışma konusu olmaya başlayan “kalorik” kuramına dayanması olabilir. Carnot bile yaşamının sonlarına doğru bu soruna eğildi. Fresnel’in,ortaya attığı ışığın titreşim kuramı, radyasyon yolu ile yayılan ısının ışığa olan benzerliği ve bazı eşısılı olayların “kalorik” kavramı ile açıklanmasında karşılaşılan güçlükler, Carnot’yu, Rumford ve Davy’ nin çalışmalarını incelemeye, sürtünmenin yarattığı ısının katı ve sıvılardaki etkileri ile ilgilenmeye itti. Sonunda ısının şekil değiştirmiş hareket enerjisi olduğuna inanarak yeni bir kinetik teori üzerinde çalışmaya başladı. Isının işe dönüş katsayısını hesapladı, evrendeki toplam enerjinin sabit olduğunu belirtti. Bu bulgular Joule, Mayer ve Helmholtz’un 20 yıl sonra ortaya atacağı termodinamiğin birinci yasasının temelidir. Ne var ki bu notlar ancak 1878’de bulunarak yayımlandı.
Clapeyron 1834’te Carnot’nun buhar makinesi ile ilgili çalışmalarına analitik bir şekil vererek matematiksel gaz kuramına uyguladı; basmç-hacim diyagramını da geliştirdi. Carnot’nun sağlığında fazla ilgi görmeyen çalışmalarının değeri ancak o zaman anlaşıldı. Clapeyron’un bu çalışması 1845-1850 yıllarında C.H.A. Holtzman ve Kelvin’in dikkatini çekti: Joule, Mayer ve Helmholtz’un “kalorik” kuramının yanlış olduğunu kanıtladıkları bu dönemde Kelvin, Carnot’ nun çalışmalarım . savundu. Clausius 1850’de Carnot’ nun teoreminin doğru olduğunu, ancak ispat yönteminde “kalorik” kuramının yanlışlığını dikkate alan bir değişiklik gerektiğini gösterdi. Clausius ve Kelvin’ in bu katkıları ile Carnot teoremi termodinamiğin ikinci kuralı halini almış oldu. Termodinamiğin birinci kuralı enerji korunumudur. Ancak enerji korunu-munun izin verdiği tüm enerji dönüşümleri gerçekleşemez. Bunlardan hangilerinin gerçekleşebileceğini ikinci kural belirler. Carnot, buhar makinesinin kuramsal verimini hesaplarken aslında ısı enerjisinin mekanik enerjiye dönüşme koşullarını incelemiş, termodinamiğin ikinci kuralını bulmuştur.
• YAPITLAR (başlıca): Reflexion sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres â developper cette puissance, 1824, (“Isının Hareket Ettirici Gücü ve Bu Gücü Geliştirmeye Yarayan Makineler Üzerine Düşünceler”).
• KAYNAKLAR: H. Carnot, Notice biographique sur Sadi Carnot, 1S7S; E. Picard ve C. Ravean, Sadi Carnot, biographie et manuscrits, 1927.
Türk ve Dünya Ünlüleri Ansiklopedisi