تعريف المردود الأعلى لمحرك البخار

2013 الرمل والسيليكون

دنيس ماكوان

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الفيزياء

في عام 1824، برهن سادي كارنو (Sadi Carnot) أنه ليس كل الحرارة في هذه العملية تقود إلى عمل مفيد، وقد اهتم في تحديد المردود الأعلى لمحرك البخار.

والمردود هو نسبة العمل المتولد بواسطة المحرك إلى كمية الحرارة المتوفرة. في محرك البخار، يُسخَّن الماء من درجة حرارة أولى إلى درجة حرارة ثانية تسبب غليان الماء، ويؤدي البخار الناتج إلى عمل ميكانيكي يدفع المكبس ويتكاثف البخار فيما بعد ويرجع إلى درجة الحرارة الأولى.

تخيل كارنو محرك حرارة مثالي وافتراضي حيث تتم كل دورة محرك فقط عبر مراحل صغيرة يمكن أن تحصل في الاتجاهين مع بقاء النظام في حالة توازن. يسمى هذا المحرك العكوس (Reversible) لأن الدورة يمكن أن تجري في أي من الاتجاهين حيث يعمل المحرك كمحرك حرارة في الاتجاه الأمامي وكمضخة حرارة في الاتجاه المعاكس.

برهن كارنو أن مردود محركه الحراري المثالي والعكوس يتعلق فقط بفرق درجة الحرارة بين المراحل المختلفة للدورة مقسوماً على درجة الحرارة المطلقة للبخار (يُناقش سلم درجة الحرارة المطلقة في الصندوق 1.3) وأنه كان مستقلاً عن المادة المستعملة في المحرك.

أظهر المحرك الحراري المثالي أعلى مردود ممكن، وهكذا، يمكن أن يُظهِر أي محرك بخار حقيقي أشكال عدم فعالية وخسارات متعددة يمكن أن تقود إلى مردود أخفض.

يترجم الاستنتاج النابع عن محرك الحرارة المثالي إحدى طرائق صياغة القانون الثاني في الثرموديناميك الذي ينص على أن العملية التي تقتصر على انتزاع الحرارة من مخزن وتحويلها، دون تغيير درجة الحرارة، إلى عمل غير ممكنة.  وعلاوة على ذلك، فإن محركاً حرارياً يأخذ الحرارة عند درجة حرارة أولى ويحررها عند درجة حرارة أقل لا يستطيع توليد عمل أكبر من محرك الحرارة المثالي.

بناءً على أعمال سادي كارنو، طور العلميون في منتصف القرن التاسع عشر الصياغة الرياضية لعلم الثرموديناميك التي تربط تغيرات طاقة نظام إلى التغيرات الناتجة عن إضافة الحرارة إلى النظام أو عن العمل المطبق عليها.