العمليات العكوسة وغير العكوسة التي تشملها آلة العالم “كارنو”

2011 قوانين الديناميكا الحرارية – فهم الحرارة وانتقال الطاقة

أبريل أيزاكس

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

العالم كارنو آلة كارنو العلميات التي تشملها آلة كارنو الفيزياء

تشمل "آلة كارنو" الافتراضية على دورة مثالية عكوسة (قابلة للعكس) يستحيل تحقيقها على أرض الواقع.

والعملية العكوسة عبارة عن عملية تعود إلى وضعها الابتدائي بالضبط بعد اكتمالها، لكن في العالم الطبيعي لا توجد عمليات قابلة للعكس فعلاً.

إذ رمينا كرة على الأرض فسترتد مرات قليلة ثم تتدحرج وتستقر في وضع السكون، ومن المستحيل طبعاً أن تعكس الكرة مسارها من تلقاء ذاتها وتتدحرج نحونا ثم تقفز عائدة إلى يدنا.

 

وإذا تركنا مكعباً من الجليد في كأس في يومٍ حار سينصهر ولا يمكن ابداً أن يتشكل من جديد من تلقاء نفسه.

تتصف بعض العمليات بأنها عكوسة نوعاً ما، فقد تتحرك بعض أجزاء الآلة ببطء شديد لدرجة تبدو فيها وكأنها دائما في حالة قريبة من حالة الاتزان التي لا توجد فيها حركة أو تغيير.

 

إن عملية كهذه ستتحرك ببطء شديد وتحتاج إلى زمن غير محدود كي تكتمل. عندما يتحدث العلماء عن العمليات العكوسة (القابلة للعكس) يقتصر وصفهم عموماً على استخدام العبارات النظرية، فالآلة الحقيقية لا يمكن أن تستغرق زمناً غير محدود لاستكمال كل دورة.

وعلى عكس "آلة كارنو"، تفقد أجزاء الآلة الحقيقية طاقتها بسبب الاحتكاك، إذ يمكن لنسمة واحدة من الهواء أن تُبرّد أحد الخزانين الحراريين ولو بشكل ضئيل.

 

المضخات الحرارية

اعتقد كارنو أن آلته يمكن أن تعمل بطريقة قابلة للعكس، فبدلاً من نقل الحرارة من الخزان الحراري الساخن إلى الخزان الحراري البارد، ستؤدي آلته عملية عكوسة (قابلة للعكس) تطرد خلالها الحرارة من الخزان الحراري البارد.

لكن بموجب القانون الثاني للديناميكا الحرارية، لا يمكن أن تحدث هذه العملية من تلقاء نفسها؛ لذلك بدلاً من إنتاج شغل كلي، كما تفعل الآلة الحرارية، تحتاج "آلة كارنو" إلى دخل من الشغل. وتُعدّ المضخة الحرارية مثالاً عاماً عن هذا النوع من الآلات، مثل أجهزة التبريد والتكييف.

يُراعَى عند تصميم الآلات الحرارية رفع الفروق بين درجات حرارة الخزانات إلى الحد الأقصى كي تعمل بالكفاءة العظمى، أما المضخة الحرارية فهي مسألة مختلفة؛ لأن الفرق الكبير في درجة الحرارة بين الخزانات الحرارية يعني ضرورة توفير كمية كبيرة من الطاقة لتشغيل المضخة الحرارية.

 

ومن الأفضل أيضاً أن يكون الفرق في درجة الحرارة بين الخزانين في المضخة الحرارية أقل، بالإضافة إلى استخدام أقل كمية ممكنة من الطاقة.

ومن هذا المنطلق يحاول المهندسون تصميم أجهزة تبريد وثلاجات "موفرة للطاقة" لا تستخدم الكثير من الكهرباء.

 

توصف الفعالية  التي تتميز بها المضخة الحرارية بمصطلح "معامل الأداء"، ومثلما توجد معاملة خاصة بكفاءة آلة كارنو المثالية، هناك معادلة أيضاً لوصف معامل أداء المضخة الحرارية المثالية المعكوسة:

وتُقاس (T) (درجة الحرارة) بمقياس كلفن.

 

وإذا قمت بمقارنة المعادلتين ستجد أنهما تعتمدان على الفرق بين درجات الحرارة في الخزانين، حيث تزيد "كفاءة آلة كارنو" عند زيادة الفرق في درجة الحرارة.

في حين يحدث عكس ذلك بالنسبة لمعامل الأداء، إذ تتناقص فعالية المضخة الحرارية عندما يزيد الفرق في درجة الحرارة.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]