一位哲人說過，人類對火的利用，是一次最偉大的自然力的利用。火是偉大的文明催化劑，正是火，使人類成為萬物之靈。
當1784年瓦特造出了第一臺由紐可門蒸汽機改進的能夠連續工作且具有實效的蒸汽機，人類擺脫了以人力和畜力為主要動力的時代，進入了機器時代。在以後的半個世紀中，蒸汽機幾乎獨步天下，成為工業社會主要的動力來源，促進了生產力的大解放。但是當時蒸汽機的效率實際很低，只有3%~5%。為了提高蒸汽機的效率，人們對蒸汽機作了許多改進和完善的工作。尤其是瓦特的後人--早期的英國工程師作了很多工作，但是由於他們對熱機效應缺乏理論認識，局限於表面現象。因此只能就事論事，從熱機的適用性、安全性和燃料的經濟性幾個方面來改進熱機，盲目地尋找可代替蒸汽的最佳工作物質，未能找到提高熱機效率的根本途徑。因此，對熱機所作的改進收效甚微。
瓦特蒸汽機
那麼決定熱機效率的關鍵究竟是什麼呢？顯然，能夠回答這個問題的人，應該是具有熱學理論頭腦的思想者。這樣的思想者出現在了法國，他就是薩迪·卡諾。
1796年6月1日，卡諾出生在巴黎小盧森堡宮。其父是法國著名將軍拉扎爾·卡諾。老卡諾曾在法國大革命和拿破崙「百日政變」中擔任要職，後被復闢的波旁王朝流放，直至1823年在國外病逝。他不僅是一位著名的共和主義者，還是一位優秀的軍事工程師和數學家。
薩迪·卡諾
小卡諾頭腦敏銳，受其父影響，從小醉心於工程科學，愛好數學和物理。1812年，卡諾考入巴黎理工學院，師從泊松、蓋呂薩克、安培、阿喇果等科學大師。1814—1816年，他就讀於梅斯工兵學校。畢業後，他進入軍界。但同時仍繼續進行科學研究。他發現了熱機效率低是當時工業的一個難題，便決心從事熱機的研究。
由於受過良好的物理學教育，卡諾研究的出發點與英國工程師不同。他並不著眼於具體細節上的改進，而是力圖探索熱機的本質，從理論上對熱機的工作原理進行研究。他認為應該設計一種「不依賴於任何機械和任何特殊的工作物質，必須使其進行的討論不僅能應用於蒸汽機，而且能建立其應用於一切可以想像的熱機原理」的理想熱機，在理論上找出熱機的極限效率，從根本上找到解決熱機效率的途徑。
1824年5月12日，卡諾出版了《論火的動力及與產生該動力相適應的機器》一書，這是他生前出版的唯一著作，簡稱《論火的動力》，這裡的「火」就是「熱」。卡諾在書中提出了當時在應用和理論上妨礙蒸汽機向前發展的兩個問題：熱生動力在理論上是否有限度；有無比水更佳的熱機工作物質。當卡諾仔細的考慮與解決了熱機的這兩個核心問題，他提出了卡諾循環與卡諾定理。
卡諾首先分析了蒸汽機的基本結構和工作過程，拋開了各種次要過程，採用科學抽象法，把各種具體蒸汽機歸納理想化為在兩個恆溫的高低熱源之間工作的理想熱機—卡諾熱機，它的工作過程由等溫膨脹、絕熱膨脹、等溫壓縮和絕熱壓縮四個無摩擦的準靜態過程組成。這就是著名的卡諾循環。顯然，這是最簡單的理想循環，由此得出的結論具有基本意義。其次，卡諾引進了過程的「可逆性」及「不可逆性」，後者是熱現象根本之所在。第三，卡諾認為熱機工作的所遵循的普遍規律必須基於熱的基本理論：熱質說和永動機的不可能（即能量守恆原理或熱力學第一定律）。
在卡諾的理想熱機中，除了氣缸、活塞，用來驅動熱機工作的理想氣體（又稱工作物質）外，還有兩個保持一定溫差的高、低溫恆溫熱源。當工作物質完成一次正向「卡諾循環「，熱機同時就會對外做功。卡諾根據熱質守恆認為，工作物質從高溫熱源吸收了熱量Q，則在低溫熱源放出的熱量也是Q，工作物質對外做功W，W的大小取決於熱量Q和兩熱源的溫差。為此，卡諾定義了熱機效率為：η=W/Q。同時，卡諾提出了可逆機與不可逆機的概念：前者可沿正向所經路徑反向進行，即熱機從低溫熱源吸熱Q送回到高溫熱源，外界對其做功恰好為W；後者不是不能反向就是反向與正向的情況不能相互抵消。
卡諾熱機正向循環
卡諾同時對多種氣體工作物質進行了研究，最終他認為氣體熱機的效率僅是高、低溫熱源溫度與溫差的函數。與氣體性質無關。
卡諾以可逆性、永動機不可能、熱質說三個假設為前提，提出了有關熱機效率的核心論點：在同樣兩個熱源之間工作的一切卡諾熱機的效率相同；任何在工作於兩個給定溫度之間的所有熱機，卡諾理想可逆熱機的效率最高。這就是現在被命名的卡諾定理。
至此，卡諾從原則上指出了提高熱機效率的方向與限度，解決了熱機這兩個根本性的問題。
卡諾在研究熱機的過程中，根據熱質說，得出了一個不正確的結論，即在蒸汽機工作過程中，熱沒有損失或者變為機械能。「我們可以恰當地把熱的動力和一個瀑布的動力相比。瀑布的動力依賴於它的高度和水量，熱的動力依賴於所用的熱質的量和┄┄交換熱質的物體之間的溫度差，蒸汽機實際上並沒有消耗熱，只是熱質從高溫物體轉移到低溫物體。」
熱機與水車
但是，後來卡諾也意識到熱質說的問題，他放棄了熱質說，重新認為熱機在循環過程中有一些熱轉變為機械能。
卡諾的著作出版後並未引起人們的重視，因此在當時沒有產生應有的效果及影響。使物理學家首次知道這一理論的是巴黎橋梁道路學院的克拉珀龍。克拉珀龍對卡諾的成果作了進一步的研究。
1834年，克拉珀龍在巴黎發表了題為《關於熱的動力》的論文。在文中，克拉珀龍使用了瓦特曾經使用過的器示壓強—容積圖，他指出p-V 圖的曲線所包圍的面積可以用來估計一個循環所做的功，克拉珀龍用圖解法發表了卡諾的單循環過程，該圖被廣泛採用，至今仍出現在熱學教科書中。由於克拉珀龍的發展，卡諾的貢獻所具有的意義才逐漸為人們所理解。
卡諾循環p--V圖
卡諾的研究不僅給熱機的設計指明了方向，而且包含熱力學的萌芽。他關於熱機必須工作於兩個熱源之間的斷言，實際已經包含了熱力學第二定律的基本內容。關鍵的轉折點是1848年—1850年，開爾文發表了一系列肯定與擴展卡諾工作結果的論文，有力地捍衛了卡諾的工作。1850年，克勞修斯指出卡諾的陳述是正確的，但卡諾證明中無熱量損失（熱質不滅）是錯誤的，需加以修正。經克勞修斯修正後的陳述為：卡諾熱機中的一部分熱量是消失了，剩下的部分則傳到低溫熱源，消失的熱量與熱機做功之間有確定的數值關係。經過兩位物理學家的工作，卡諾定理被提升到了熱力學第二定律的高度，因此卡諾可被視為熱力學第二定律的始祖，但其真正的建立者理所當然是開爾文和克勞修斯。
1832年6月至8月，在短短三個月內，猩紅熱、腦膜炎和傳染性霍亂徹底摧毀了卡諾原本就十分脆弱的身體。1832年8月24日，卡諾在家中溘然去世，年僅36歲。按當時的防疫條例，霍亂病人的遺物必須全部燒毀或深埋。卡諾的大部分文稿也被銷毀了，其中包括他在1824年以後的研究成果，這裡面肯定有他的許多新思考和發現，但卻成了永遠的謎。
他的後期手稿只有23張被僥倖保留下來，1878年由其弟公之於世。
隨著熱力學理論的發展，卡諾的學術地位得到了越來越多的學者的認可。恩格斯在《自然辯證法》中指出，「卡諾研究了蒸汽機，分析了它，發現蒸汽機中的基本過程並不是以純粹的形式出現，而是被各種各樣的次要過程掩蓋住了；於是他撇開了這些對主要過程無關重要的次要情況而設計了一部理想的蒸汽機(或煤氣機)，的確，這樣一部機器就像幾何學上的線或面一樣是決不可能製造出來的。但是它按照自己的方式起了像這些數學抽象所起的同樣的作用；他表現純粹的獨立的真正的過程。」
卡諾的英年早逝，是人類科學事業的損失。但他就像一團永不熄滅的火，永遠燃燒在熱機裡，燃燒在科學的殿堂裡。
來源：現代物理知識雜誌