چرخه کارنو

یکی از مهم‌ترین چرخه های بازگشت پذیر، چرخه‌ی کارنو است که توسط سعدی کارنو معرفی شد. این سیستم شامل یک ماده است که انتقال گرما را به عهده دارد و اصطلاحاً " ماده‌ی کار " نامیده می‌شود. چرخه از دو فرآیند هم دمای بازگشت پذیر (ISOTHERMAL )و دو فرآیند بی در روی بازگشت پذیر (ADIABIATIC ) تشکیل شده است.

می‌توانید در مدل سازی بالا، مراحل مختلف کار این چرخه را مشاهده کنید. برای سادگی، می‌توان ماده‌ی کار را یک گاز ایده آل فرض کرد که در استوانه ای قرار دارد که قاعده‌ی آن رسانای گرماست، ولی دیواره های آن و پیستون، عایق گرما هستند. نتیجه این چرخه آن است که گرما توسط سیستم به کار تبدیل شده است.

اگر چه ماشین‌های گرمایی واقعی بر پایه‎ی یک چرخه‌ی بازگشت پذیر کار نمی کنند، ولی چرخه‌ی کارنو ( که بازگشت پذیر است ) اطلاعات مفیدی درباره رفتار هر ماشین گرمایی به دست می‌دهد و اهمیت خاصی دارد؛ زیرا می‌توان اثبات کرد چرخه کارنو تعیین کننده حد بالای بازده ماشینهای حقیقی است و بنابر این هدفی را که باید به آن برسیم مشخص می‌کند.

بازده یک ماشین گرمایی (e) عبارتست از نسبت کار انجام شده توسط ماشین (w) در یک چرخه، به گرمای گرفته شده از منبع گرم (Q1 ):

این معادله نشان می‌دهد که بازده ماشین گرمایی تا وقتی گرمای خارج شده از سیستم صفر نشود، به یک نمی رسد. تجربه نشان می‌دهد که ماشین در موقع تخلیه‌ی دود، مقداری گرما از دست می‌دهد. این، همان مقدار گرمایی است که هدر می‌رود و در طی فرآیند به کار تبدیل نمی شود.

چرخه‎ی کارنو را می‌توان با معکوس کردن جهت فرآیند‌ها انجام داد ( توجه کنید که تمامی مراحل این چرخه بازگشت پذیرند. ). در چنین چرخه ای، باید کار روی سیستم انجام شود تا گرما از منبعی با دمای پایین به منبعی با دمای بالا ( یعنی در جهت عکس فرآیندهای خود به خود طبیعت ) منتقل گردد. بنابر این، سیستم مانند یخچال عمل می‌کند. یعنی با کاری که به آن داده می‌شود ( توان الکتریکی ورودی ) گرما را از جایی که دمای پایین قرار دارد ( درون یخچال ) به جایی با دمای بالاتر ( اتاق ) منتقل می‌کند.

کارنو نخستین کسی بود که مطالبی علمی در مورد ماشینهای گرمایی منتشر کرد. او در سال 1824 مقاله ای با عنوان " اندیشه هایی درباره‌ی قدرت محرکه‌ی گرما " منتشر کرد. در آن هنگام استفاده از ماشین بخار که یک ماشین گرمایی است، در صنعت متداول بود. کارنو توجه خود را به این واقعیت معطوف کرد که اختلاف دمای دو منبع، سر چشمه‌ی حقیقی قدرت محرکه است و نوع ماده کار از لحاظ نظری اهمیتی ندارد. او هم چنین این قضیه را - که اهمیت عملی زیادی دارد - بیان کرد:

بازده تمام ماشین های بازگشت پذیری که بین دماهای یکسانی کار می‌کنند، با هم برابر است و بازده هیچ ماشین بازگشت ناپذیری، که بین همان دو دما کار می‌کند، نمی تواند بیشتر از این باشد.

توجه داشته باشید که در این قضیه هیچ اشاره ای به ماده کار نشده است. یعنی بازده یک ماشین بازگشت پذیر مستقل از ماده کار است و تنها به دما بستگی دارد. علاوه بر این، بازده یک ماشین برگشت پذیر، حداکثر مقدار ممکن برای هر ماشینی است که در بین همان دو حدّ دمایی کار می‌کند.

این واقعیت از آن جا ناشی می‌شود که می‌توان نشان داد که در چرخه کارنوQ1/Q2=T1/T2 و در نتیجه:

e=1-Q₁/Q₂=1-T₁/T₂

برای دست یابی به حداکثر بازده ممکن، دمای T2 باید صفر مطلق باشد. تنها هنگامی که منبع سرد در صفر مطلق (273- درجه سانتی گراد ) قرار گیرد، تمامی گرمای جذب شده از منبع گرم به کار تبدیل خواهد شد.

امّا چون نمی توانیم یک منبع سرد با دمای صفر مطلق داشته باشیم، ساختن یک ماشین گرمایی با بازده صد درصد نیز عملاً غیر ممکن است. این تجربه منجر به قانون سوم، ترمودینامیک شده است که می‌توان آن را به صورت ساده چنین بیان کرد: با هیچ روشی، هر قدر هم ایده آل باشد، امکان ندارد بتوان دمای یک سیستم را با انجام عملیاتی به تعداد محدود، تا صفر مطلق کاهش داد.

در مطالب بعدی در این مورد بیشتر توضیح خواهیم داد.