・"Is the work available from a heat source potentially unbounded?"
「熱源からの有効な仕事は潜在的には無限のものなのか？」
・ "Can heat engines in principle be improved by replacing the steam
with some other working fluid or gas?"
「原理的に熱機関は、蒸気を、何らかの他の作動流体または気体で
置き換えることによって改良できるか？」
という熱機関に関する二つの疑問について考え、その回答を、わずか２８歳のときに、１９２４年の
ポピュラーな仕事として出版された回想録の中で、Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu
("Reflections on the Motive Power of Fire")と題して示したとありました。
いずれにしろ、やはり一番は自分自身で原著を読むことです。で、幸いにも、ウェブ上にその原著
(１８２４年著)の英訳本のＰＤＦ版がありました(⇒ここ)
どうやら当時の英訳本ではなく、後で見直
す機運があって(と言っても昔です)再編集新規発行したもののようです。関連部分の表題は、
"REFLECTIONS ON THE MOTIVE-POWER OF HEAT, AND ON MACINES FITTED
TO DEVELOPE THAT POWER"となっています。Wikipediaは"HEAT"の所が"FIRE"とあって
和訳がしにくかったのですが、こちらは"HEAT(熱)"とありました。これならわかりやすいですね。
そして、原著(英訳版)を読みましたのでおかげさまでカルノーがどのように考えたかが概略わかり
ました。
Every one knows that heat can produce motion.
(誰もが熱が運動を生成できることを知っている。)
と述べ、「蒸気機関」が齎した恩恵について述べた後で、
Notwithstanding the work of all kinds done by steam-engines,
notwithstanding the satisfactory condition to which they have
been brought to-day, their theory is very little understood,
and the attempts to improve them are still directed almost by
chance.
(蒸気機関によりなされる全ての種類の仕事にも係らず、それらが今日、
それに対して齎されて来た満足に行く条件にも係らず、それらの理論は
ほとんど理解されておらず、それらを改良する試みは、まだ、ほとんど
偶然に導き出されているだけである。)
the re-establishing of equilibrium in the caloric(※5)
(カロリックにおける均衡の回復)
というフレーズ("in"の代りに"of"も使われていますが)が沢山でてきます。これについては、
(its passage from a body in which the temperature is more or less
elevated, to another in which it is lower
(その中での温度がその中でより低い他のものに対して多かれ少なかれ
上昇する物体からの、それ[caloric]の移動のこと)
[注]以後、[ ]内は私がつけた補足です
と説明があります。ちなみに、彼は「加熱されて温度が上がる」ことを『カロリックの均衡の破壊
(destroying the equilibrium of the caloric)』と捉えています。
The caloric developed in the furnace by the effect of the combustion
traverses the walls of the boiler, produces steam, and in some way
incorporates itself with it. The latter carrying it away, takes it first
into the cylinder, where it performs some function, and from thence
into the condenser, where it is liquefied by contact with the cold
water which it encounters there. Then, as a final results, the cold
water of the condenser takes possession of the caloric developed
by the combustion. It is heated by the intervention of the steam as
if it had been placed directly over the furnace. The steam is here
only a means of transporting the caloric.
(燃焼の結果により加熱炉[furnace]の中で生成したcaloricはボイラの壁を横切り、 蒸気を発生させ、何らかの方法でそれ[蒸気]と自身[caloric]を合体させる。それ
[caloric]を運びさる後者[蒸気]はそれ[caloric]をまず、なんらかの働きを行うシリ
ンダに持っていき、そこから、そこで出会う冷たい水との接触により液化する凝
縮器[condenser]に持ってくる。それで、結果的に、凝縮器の冷水は燃焼により
生じたcaloricを入手する。それは、あたかも、直接、加熱炉の上に置かれている
かのように、蒸気の介在で加熱される。蒸気は、ただcaloricを運ぶ手段に過ぎ
ない。)
The production of motive power is then due in steam-engines not to
an actual consumption of caloric, but to its transportation from a warm
body to a cold body, that is, to its re-establishment of equilibrium-
an equilibrium considered as destroyed by any cause whatever, by
chemical action such as combustion, or by any other.
(動力生成はそのとき、蒸気機関では実際のcaloric消費ではなく、温かい物体
から冷たい物体へのその[caloric]の移動すなわち、均衡－何か燃焼あるいは
その他のような化学作用によるような原因で破壊されると考えられる均衡－の
回復による。)
と述べ、
According to this principle, the production of heat alone is not
sufficient to give birth to the impelling power: it is necessary that
there should also be cold; without it, the heat would be useless.
(この原理によれば、熱単独の生成では駆動力を生み出すには不十分である；
また、冷たさがあることが必要である；それなしでは熱は有益ではない。)
と補足し、
We have shown that in steam-engines the motive-power is due to a
re-establishment of equilibrium in the caloric; this takes place
not only for steam-engines, but also for every heat-engine-that is,
for every machine of which caloric is the motor. Heat can evidently
be a cause of motion only by virtue of the changes of volume or of
form which it produces in bodies.
我々は蒸気機関において動力はcaloricにおける均衡の回復によることを示し
た；これは蒸気機関のみならず全ての熱機関－すなわち、そのcaloric[の機械]
が原動機である全ての機械に対して起きる。熱は明らかに体積変化またはそ
れが物体の中に生ずる形の変化の効力のみによる運動の要因とすることが
できる。)
wherever there exists a difference of temperature,
motive-power can be produced.
(温度差が存在するときはいつでも動力が生ずる)(※6)
ということをまずは強調しています(原著もイタリック体表記)。
次に、この(※6)と、
It is a fact proved by experience, that the temperature of gaseous
fluids is raised by compression and lowered by rarefaction.(※7)
(気体流体の温度が圧縮で上昇し希薄化で低下することは実験で証明されて
いる事実である。)
By our first operations there would have been at the same time
production of motive power and transfer of caloric from the body
A to the body B. By the inverse operations there is at the same
time expenditure of motive power and return of caloric from the
body B to the body A. (※8)
(我々の最初のオペレーションにより、同時に動力生成と、物体Ａから物体Ｂ
にcaloricの移動がある。逆のオペレーションにより、同時に動力消費と物体
Ｂから物体Ａへのcaloricの戻しがある。
the maximum of motive power resulting from the employment of steam is
also the maximum of motive power realizable by any means whatever(※9)
(蒸気の利用の結果の動力の最大値は、また、任意の何らかの手段
により実現可能な動力の最大値である)
と述べ、いよいよ論はカルノーサイクルのideaに入って入っていきます。まず、
What is the sense of the word maximum here?
By what sign can it be known that this maximum is attained?
By what sign can it be known whether the steam is employed to greatest
possible advantage in the production of motive power?
(ここで最大値という用語の意味は何か？
どんな兆しによって、この最大値が得られたことを知ることができるのか？
どんな兆しによって、蒸気が動力生成において、最大可能な役割で働いている
かどうかを知ることができるのか？)
と尋ね、考察を進め、
Since every re-establishment of equilibrium in the caloric may be the cause
of the production of motive power, every re-establishment of equilibrium
which shall be accomplished without production of this power should be
considered as an actual loss.
(どんなcaloricの均衡の回復も動力生成の要因であってよいので、この動力
の生成なしでなされるどんな均衡の回復も実損失として考えるべきである)
とした上で、
The necessary condition of the maximum is, then, that in the bodies temployed o realize the motive power of heat there
should not occur any change of temperature which may not be due to
a change of volume(※10).
(最大の必要条件は、 熱動力を実現するのに用いられる物体においては、体積変化に
よらなくてよい任意の温度変化は起きるべきではない。
ということである)
When we just now supposed, in our demonstration, the caloric of the
body A employed to form steam, this steam was considered as generated
at the temperature of the body A; thus the contact took place only
between bodies of equal temperatures; the change of temperature
occurring afterwards in the steam was due to dilatation, consequently
to a change of volume. Finally, condensation took place also without
contact of bodies of different temperatures.It occurred while exerting
a constant pressure on the steam brought in contact with the body B
of the same temperature as itself.
我々は今や、我々の説明において、物体Ａのcaloricが蒸気を作るのに従事
すると仮定したとき、この蒸気は物体Ａの温度で発生すると考えた; このよ
うに、接触は等しい温度の物体間のみで起きた；その蒸気で、その後起き
ている温度変化は膨張、結果的に体積変化によるものであった。最終的に、
凝縮はまた、異なった温度の物体との接触無しで起きたのである。それ[凝 縮]は自分自身の温度と同じ温度の物体Ｂとの接触に持ち込まれた蒸気
に一定圧力を加えている間に起きたのである。)
と述べています。但し、ここでも注意点が示されていて、
In reality the operation cannot proceed exactly as we have assumed.
To determine the passage of caloric from one body to another, it is
necessary that there should be an excess of temperature in the first,
but this excess may be supposed as slight as we please. We can regard
it as insensible in theory, without theory destroying the exactness of
the arguments.
(現実には、そのオペレーションは我々が仮定したように厳密には遂行でき
ない。一つの物体から別の物体へのcaloric移動を決めるためには、まず第
一に温度超過があるべきであるが、この超過は望むだけのわずかなもので
あると仮定してよい。我々は、理論がその論拠の厳密性を壊すことなく、理
論ではそれを感知できないとみなすことができる。)
When we borrow caloric from the body A to produce steam, and when
this steam is afterwards condensed by its contact with the body B,
the water used to form it, and which we considered at first as being
of the temperature of the body A, is found at the close of the
operation at the temperature of the body B. It has become cool. If
we wish to begin again an operation at the temperature of the body B.
It has become cool. If we wish to begin again an operation similar to
the first, if we wish to develop a new quantity of motive power with
the same instrument, with the same steam, it is necessary first to
re-establish the original condition-to restore the water to the original
temperature.This can undoubtedly be done by at once putting it again
in contact with the body A; but there is then contact between bodies
of different temperatures, and loss of motive power*. It would be
impossible to execute the inverse operation, that is, to return to
the body A the caloric employed to raise the temperature of the liquid.)
(我々が、蒸気を生成するために物体Aからcaloricを借りるとき、そして、
この蒸気が後で、物体Bとの接触によって凝縮されるとき、それ[蒸気]
を作るのに使われ、我々が最初に物体Aの温度であると考えた水は、
物体Bの温度でのオペレーションの終了時に見出される。それは冷た
くなる。もし、我々が再び、物体Bの温度でオペレーションを始めたいの
なら。それは冷たくなる。もし我々が最初と同様のオペレーションを再
び始めたいのなら、もし、我々が同じ道具、同じ蒸気で新たな動力量を
生成したいのなら、最初に元の条件を回復すること－水を元の温度に
保つこと－が必要である。このことは、疑いなく、それを再び、物体Aと
ただちに接触させることでなされることができる。;しかし、そのとき、異
なる温度の物体間の接触があり、動力損失*がある。逆オペレーショ
ンを実行すること、すなわち、液体の温度を上昇させるのに使われる
caloricを物体Aに戻すことは不可能である。)
[注]＊この「動力損失は、全ての蒸気機関で見いだせるとしています
ただこれに関しても、
This difficulty may be removed by supposing the difference of
temperature between the body A and the body B indefinitely small.
(この困難性は、物体Aと物体B間の温度差が無限に小さいと仮定する
ことで取り去ってよい。)
If, when the temperature of a gas has been raised by compression,
we wish to reduce it to its former temperature without subjecting
its volume to new changes, some of its caloric must be removed.
This caloric might have been removed in proportion as pressure
was applied, so that the temperature of the gas would remain
constant. Similarly, if the gas is rarefied we can avoid lowering
the temperature by supplying it with a certain quantity of caloric.
Let us call the caloric employed at such times, when no change of
temperature occurs, caloric due to change of volume.
This demonstration does not indicate that the caloric appertains
to the volume: it does not appertain to it any more than to pressure,
and might as well be called caloric due to the change of pressure.
(もし、気体の温度が圧縮により上昇したとき、その体積を新たな変化に
合わせることなくそれを前の温度にまで減らしたいなら、そのcaloricの
いくつかを取り去らねばならない。このcaloricは適用される圧力に比例
してとりさられるかもしれない、それで気体の温度は一定で残る。同様
に、もし気体が希薄化されるなら、我々はある量のcaloricを供給するこ
とによって温度の低下を避けることができる。さあ、温度変化が起きな いこのようなときに用いられるcaloricを体積変化によるcaloricと呼ぼ
う。この説明はcaloricが体積に属していることをさし示してはいない：
それは、圧力に属する以上の何物にも属しておらず、圧力変化による
caloricと称するのがよいかもしれない。)
