Πειράματα

Carnot (1796-1832)

Ο Σαντί Καρνό ήταν Γάλλος στρατιωτικός και μηχανικός.Απόφοιτος της περίφημης Ecole polytechnique που ίδρυσε ο Ναπολέων για να αντιπαρατεθεί στην ανωτερότητα των Άγγλων στις επιστήμες.
Γεννημένος στο Παρίσι ήταν ο πρωτότοκος γιος του περίφημου στρατιωτικού ηγέτη και γεωμέτρη,Lazare Nicholas Marguerite Carnot, τον μεγαλύτερο αδελφό του Hippolyte Carnot, και θείος του  François Sadi Carnot (Πρόεδρος της Γαλλικής Δημοκρατίας (1887-1894), γιος του Hippolyte Carnot).
Από την ηλικία των 16 ετών (1812), έζησε στο Παρίσι και παρακολούθησε το Polytechnique École. Μετά την αποφοίτησή του, έγινε αξιωματικός του γαλλικού στρατού πριν δεσμευθεί για την επιστημονική έρευνα, και έγινε το πιο γνωστό από τους συγχρόνους του Fourier που ενδιαφέρονται για τη θεωρία της θερμότητας. Από το 1814, υπηρέτησε στο στρατό. Μετά την τελική ήττα του Ναπολέοντα το 1815, ο πατέρας του πήγε στην εξορία. Αργότερα, απέκτησε μόνιμη άδεια απουσίας από το γαλλικό στρατό. Στη συνέχεια, αφιέρωσε χρόνο για να γράψει το βιβλίο του.

ΚύκλοςCarnot
Σύμφωνα με το δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο,μια θερμική μηχανή δε μπορεί να έχει απόδωση 100%.Ποιός είναι όμως ο μεγαλύτερος συντελεστής απόδοσης που μπορεί να έχει μια μηχανή, όταν δίνονται οι θερμοκρασίες Th και Tc, των δεξαμενών θερμότητας της μηχανής ;
Το ερώτημα απαντήθηκε από τον Γαλλο μηχανικό.

Ο Carnot περιέγραψε μια κυκλική αντιστρεπτή μεταβολή, που ονομάστηκε κύκλος Carnot, και απέδειξε ότι μια θερμική μηχανή που θα ακολουθούσε αυτόν τον αντιστρεπτό κύκλο θα είχε τη μεγαλύτερη δυνατή απόδοση. Μια τέτοια, υποθετική, εξιδανικευμένη μηχανή ονομάζεται μηχανή Carnot και η απόδοσή της αποτελεί το ανώτερο όριο για την απόδοση όλων των άλλων μηχανών. Το συμπέρασμα αυτό είναι γνωστό ως θεώρημα Carnot:

Δεν μπορεί να υπάρξει θερμική μηχανή που να έχει μεγαλύτερη απόδοση από μια μηχανή Carnot η οποία λειτουργεί ανάμεσα στις ίδιες θερμοκρασίες.

Ο κύκλος Carnot αποτελείται από τέσσερις μεταβολές, δύο ισόθερμες και δύο αδιαβατικές. Θα περιγράψουμε τον κύκλο Carnot για ιδανικό αέριο που βρίσκεται μέσα σε κύλινδρο, που φράσσεται με έμβολο.

1. Κατά τη μεταβολή Α- Β, το αέριο βρίσκεται σε επαφή με τη θερμή δεξαμενή και εκτονώνεται ισόθερμα σε θερμοκρασία Th, απορροφώντας θερμότητα Qh.

2. Κατά τη μεταβολή Β - Γ, το αέριο είναι θερμικά μονωμένο και εκτονώνεται αδιαβατικά μέχρι η θερμοκρασία του να πάρει την τιμή Τc.

3. Κατά τη μεταβολή Γ- Δ, το αέριο βρίσκεται σε επαφή με τη δεξαμενή χαμηλής θερμοκρασίας Τc και συμπιέζεται ισόθερμα σε θερμοκρασία Τc, αποβάλλοντας θερμότητα Qc.

4. Κατά τη μεταβολή Δ - Α, το αέριο είναι θερμικά μονωμένο και συμπιέζεται αδιαβατικά ώστε να επανέλθει στην αρχική του κατάσταση.

Ο συντελεστής απόδοσης της μηχανής Carnot είναι e=1-(Tc/Th)

Το αποτέλεσμα δηλώνει, ότι ο συντελεστής απόδοσης μια μηχανής Carnot εξαρτάται μόνο από τις θερμοκρασίες των δύο δεξαμενών θερμότητας. Η απόδοση είναι μεγάλη όταν η διαφορά θερμοκρασίας είναι μεγάλη και είναι πολύ μικρή όταν οι θερμοκρασίες διαφέρουν λίγο. Επειδή οι περισσότερες πρακτικές εφαρμογές έχουν σαν ψυχρή δεξαμενή το περιβάλλον, δηλαδή θερμοκρασία περίπου 300 Κ, όσο μεγαλύτερη θερμοκρασία έχει το σώμα που "δίνει" θερμότητα τόσο πιο αποδοτική μπορεί να είναι η εκμετάλλευσή της. Επίσης το αποτέλεσμα επιβεβαιώνει το δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο. Για να έχουμε απόδοση 100% πρέπει Τc=0, που είναι αδύνατον.
Ο θάνατός του
Πέθανε σε μια επιδημία χολέρας, όταν ήταν μόλις 36 το 1832.Λόγω της ανησυχίας της χολέρας, πολλά από τα αντικείμενα και τα γραπτά του θάφτηκαν μαζί του μετά τον θάνατό του. Έτσι, μόνο μια χούφτα των επιστημονικών συγγραμμάτων του επέζησε πέρα από το βιβλίο του.

Πηγές πληροφοριών: "Wikipedia" και "σχολικό βιβλίο Φυσικής κ' Τεχνολογικής Κατεύθυνσης Β'ταξης γενικού Λυκείου".