עד 1824 האמינו כי המכונות התרמיות שנבנו יכולות לעבור תפקוד מושלם, כלומר, חשבו שהם יכולים להגיע לתשואה של 100%, או משהו קרוב לזה ערך. במילים אחרות, מדענים האמינו אז שהם יכולים להשתמש בכל האנרגיה התרמית שסופקו למכונות האלה - כלומר, הם האמינו שהם יכולים להפוך את כל האנרגיה הזו עֲבוֹדָה.
המהנדס סאדי קרנו היה אז אחראי על הפגנות בהן אי אפשר היה להשיג תשואה של 100%. סאדי הציע כי מכונה תרמית תיאורטית אידיאלית תעבוד במחזור מסוים, שנקרא כיום מחזור קרנוט.
בהפגנתו, קארנו המישג שתי פוסטולטים שהוצעו עוד לפני שנחקק החוק הראשון של התרמודינמיקה. ראה מה מתארים את ההודעות של קרנו:
תואר ראשון של קרנו
- אף מכונה הפועלת בין שתי טמפרטורות קבועות אינה יכולה להניב יותר מהמכונה האידיאלית של קרנו הפועלת בין אותן טמפרטורות.
תואר שני של קרנו
- בעת הפעלה בין שתי טמפרטורות, המכונה אִידֵאָלִי של קרנו יש את אותה היעילות, תהיה נוזל ההפעלה אשר יהיה, והיא לחלוטין הָפִיך, בלי להוסיף אנרגיה.
על פי הפוסטולטים שאותם תיאר קרנו, אנו יכולים לראות את ההבטחה שהיעילות של מנוע תרמי היא פונקציה של הטמפרטורות של המקורות החמים והקרים. עם זאת, על ידי קביעת הטמפרטורות של מקורות אלה, המכונה התיאורטית של קרנו היא זו שמצליחה להיות היעילה ביותר.
מחזור קרנוט הוא מחזור אידיאלי, הפיך, בו נוזל ההפעלה הוא גז מושלם, המתאים לשני טרנספורמציות. איזותרמות זה שניים אדיאבטית, בין לבין. התהליכים המתוארים על ידי הגז במחזור זה הם:
1.°) התרחבות איזותרמית DA, במהלכו הגז נמצא במגע עם מערכת הטמפרטורה הקבועה TA (מקור חם), ומקבל ממנה כמות של חום QA.
2.°) AB הרחבה adiabatic, שבמהלכם אין חילופי חום עם הסביבה. המערכת מבצעת עבודה עם ירידה באנרגיה הפנימית ולכן, בטמפרטורה.
3.°) כיווץ איזותרמי לפני הספירה, במהלכו הגז נמצא במגע עם מערכת הטמפרטורה הקבועה TB (מקור קר), מה שמקנה לו כמות חום QB.
4.°) תקליטור התכווצות אדיאבטי, שבמהלכו הגז אינו מחליף חום עם הסביבה. המערכת זוכה לעבודה, המשמשת להגברת האנרגיה הפנימית שלה ולכן הטמפרטורה שלה.
במחזור קרנו, חילופי חום (שה ושב) וטמפרטורות תרמודינמיות (תה ו- תב) המקורות החמים והקרים הם פרופורציונליים, והקשר הוא:
החלפת משוואת היעילות של מכונה תרמית, אנו מקבלים למכונת קרנו:
בהתחשב בטמפרטורה של מקור הקור (טב) שווה לאפס קלווין (אפס מוחלט), יש לנו η = 1 או η = 100%. עם זאת, עובדה זו סותרת את החוק השני של התרמודינמיקה, המבטיח הכנסה של 100%, מה שמוביל אותנו למסקנה שאף מערכת פיזית לא יכולה לטמפרטורה שווה לאפס מוּחלָט.
מאת דומיטיאנו מארקס
בוגר פיזיקה
מָקוֹר: בית ספר ברזיל - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/maquinas-carnot.htm
