موتورهاي طبيعت
در قرن هجدهم مرد بزرگي به نام لزار كارنو در فرانسه زندگي مي‌كرد. او پستهاي مختلفي در دولت وقت فرانسه داشت. او انسان فوق‌العاده تأثيرگذاري بود. از او به عنوان مردي كه پيروزي انقلاب فرانسه را سازمان‌دهي كرد ياد مي‌شود. او همچنين يك دانشمند و مهندس بي‌نظير بود كه كارهاي بزرگش حتي امروزه در خاطره‌ها وجود دارد. افتخارات خانوادگي آنها يك قرن بعد توسط سي دي كارنو كه او نيز يك مهندس بود و بعدها رياست جمهوري فرانسه را به عهده گرفت دنبال شد. وي از سال ۱۸۸۷ تا سال ۱۸۹۴ كه ترور شد عهده‌دار اين پست بود.

او كه در دوره‌اي بين اين دو عضو خانواده كارنوها زندگي مي‌كرد، نيكلاس ون سي دي كارنو نام داشت، كه او را سي دي صدا مي‌كردند. وي علاقه زيادي به موتورهاي بخار داشت. از مزارع سرسبز انگلستان تا مرزهاي گسترده و وسيع ايالات متحده هيچ اختراعي همانند موتور بخار باعث گسترش و تمدن فرهنگ غرب نشد. بسياري اختراع موتور را كه با دود و سر و صداي زيادي همراه بود تهديدي براي زندگي انسان مي‌دانستند. اما اين اختراع از بدو ورود توانست جاي خود را باز كند.

موتورهاي بخار راه را براي ورود به عرصه صنعت باز كردند و تبديل به موتور انقلاب صنعتي شدند. اين موتورها در هر دو طرف اقيانوس اطلس مورد قبول واقع شدند. با طراحي‌هاي مختلف كه توسط مهندسين انجام مي‌شد، موتورهاي بخار رؤياهاي بشر را به واقعيت تبديل كردند. موتورهاي بخار سرزمينهاي مختلف را با هم مرتبط مي‌كردند. با برقراري اين ارتباط امكان پيشرفت نيز تسهيل

مي‌شد. موتورهاي بخار نيروي لازم براي بريدن چوب و حركت دادن پيستون‌ها و اهرم‌ها را تأمين مي‌كردند. موتورهاي بخار با امكان تهيه لبنيات و آرد غله در مقياسهاي بزرگ محصول بيشتري در دسترس كشاورزان قرار مي‌دادند. گسترش استفاده از موتورهاي بخار جايگزين نيروي انساني گشت. قدرت موتورهاي بخار انرژي حركت و تغيير را به وجود مي‌آورد. موتورهاي بخار باعث صرفه‌جويي در زمان و نيروي بي‌كاري مي‌شدند. هر مكاني سعي در بهره‌گيري از اين اختراع داشت تا كار خود را با سرعت بيشتر و هزينه كمتر انجام دهد.
هر جايي كه ريلهاي آهني كار گذاشته مي‌شد، محصولات مختلفي كه در سراسر كشور توليد مي‌شدند در دسترس قرار مي‌گرفت. به نظر مي‌رسيد موتورهاي بخار هر جايي بروند آرزوهاي بشر را نيز همراه خود خواهند برد.

لرد بايرن در اين باره مي‌گويد: موتورهاي بخار بشر را به كره ماه خواهند برد. او چندان هم اشتباه نمي‌كرد. مسيري كه موتورهاي بخار درمي‌نورديدند از ماه هم فراتر مي‌رفت. اين مسير تا آنجا پيشرفت كه سؤالاتي بنيادي درباره مفهوم زمان و سرنوشت نهايي جهان مطرح شد. جرقه آغاز اين سفر در ذهن سي دي كارنو زده شد. كارنو كه در سال ۱۷۹۶ متولد شد، ذهنيت خود درباره

رياضيات و مهندسي علوم نظامي را متأثر از پدر شكل داد. پدر وي لزا كارنو به دليل داشتن مهارت فوق‌العاده در سازمان‌دهي و مهندسي از شهرت زيادي برخوردار بود و بعدها به قهرمان جنگهاي فرانسه تبديل شد. كارنو با تشويقهاي پدر وارد دانشگاه پلي‌تكنيك ايكو شد. در دانشگاه كارنوي جوان به مطالعه موتورهاي بخار و محدوديت آن پرداخت. براي كشوري همچون فرانسه اين

محدوديتها مشكلي نبودند. ولي براي يك مهندس نظام آغاز يك نبرد بود. كارنو به جاي ساختن موتور بخار بهتر تئوري را ارائه نمود. البته در آن زمان ايده استفاده از قدرت بخار چندان جديد نبود. نيروي بخار نخستين بار در سال ۱۶۹۸ توسط توماس سيورفي براي به كار انداختن پمپ آب مورد استفاده قرار گرفت. از آن زمان مخترعين و مهندسيني مانند: ريچارد تلي ورتي، متين بورتن و جيمز وات پيوسته سعي در اصلاح و افزايش موتورهاي بخار داشتند.

تمام اين تلاش‌ها براي بدست آوردن كار بيشتر از حرارت ذغال سنگ بود. با اين حال كشف جيمز وات در بدست آوردن روشي براي خنك كردن موتورهاي بخار در خارج از محفظه اصلي، با استفاده از كندانسور عصر موتورهاي بخار را آغاز كرد. در يك موتور بخار كدام قسمت از همه قسمتها حياتي‌تر است؟ دريچه‌ها، چرخ‌دنده‌ها، ميله‌ها، لوله‌ها، اهرم‌ها و نشانگرها يا چرخها و تسمه‌هايي كه براي

انتقال قدرت به كار مي‌رود. سيلندر قلب يك موتور را تشكيل مي‌دهد سيلندري كه ميله متحركي در آن تعبيه شده و بخار فشرده آن را به حركت وامي‌دارد. با باز شدن دريچه ورودي بخاري پرفشار وارد سيلندر شده و پيستون را به جلو مي‌رساند و بر روي فلا‌بي كار انجام مي‌دهد. فلا‌بي مجدداً پيستون را به دهانه سيلندر رانده و بخار را از دريچه تخليه خارج مي‌نمايد. و بدين ترتيب موتور را آماده چرخه بعدي مي‌شود، و اين چرخه ادامه مي‌يابد. (جلو، عقب)

در هر موتوري كه طراحي شده سيلندر بخش اصلي و مهم آن است. سي دي كارنو با اطلاع از نحوه كار موتورهاي بخار، سعي در بهينه‌سازي اين موتورها نكرد، بلكه از خود پرسيد ايده‌آل‌ترين موتورهايي كه طبيعت اجازه ساخت آن را مي‌دهد كدام است؟ كارنو پاسخ اين سؤال را در چرخ‌هاي آبي يافت.

در زمانيكه كارنو سعي در درك قدرت موتور بخار نمود در اطراف او مثالهاي متعددي از توان سيال آب وجود داشت. او فكر كرد همانطور كه با فروريختن آب از ارتفاع بالاتر به سطحي پايين‌تر چتر آبي به حركت درمي‌آيد موتور بخار نيز با جريان سيال كلريك از دماي بالاتر به دماي پايين‌تر كار مي‌كند. با در نظر داشتن اين توصيف ساده سي دي كارنو جوان پاسخ سؤال خود را در برابر محدوديت‌هاي طبيعت كه در برابر حداكثر بازدهي يك موتور وجود دارد پيدا كرد. هيچ ماشيني و يا تركيبي از ماشينها نمي‌توان باعث شود كه حرارت بيشتري به دماي بالاتر رفته و سپس به دماي پايين‌تر بازگردد.

 

اين ايده نقطه آغازين تئوري كارنو بود، كه حتي امروزه به عنوان يكي از اصول فيزيك شناخته مي‌شود. البته امروزه اين اصل قانون ترموديناميك نام دارد. كارنو دريافت كه با گردانيدن يك چتر آبي در جهت معكوس مي‌توان آب را به ارتفاع بالاتري منتقل كرد. در واقع او چرخي را در نظر گرفت كه با گردش خود چرخ ديگري را در جهت معكوس مي‌گرداند و از آبي كه در جهت ديگر فرو مي‌ريزد براي بالا بردن آب چرخ اول استفاده مي‌شود. او متوجه شد اين ماشين مركب آب را به ارتفاعي بالاتر از سطح آبي كه فرو مي‌ريزد منتقل مي‌كند.

با به كار بردن اين اصل در مورد حرارت قانون دوم ترموديناميك شكل گرفت. با بدست آوردن چنين ديدگاهي كارنو دريافت بهترين موتوري كه امكان ساخت آن وجود دارد، موتوري است كه در هر دو جهت رفت و برگشت عملكرد يكساني داشته باشد. در يك موتور معمولي حرارت از يك دماي بالاتر

وارد شده. ماشيني كه به اين شكل كار مي‌كند يخچال نام دارد. اين ماشين حرارت را از محيط سرد خارج مي‌كند و در محيط قرار مي‌دهد. در سال ۱۸۲۰ كارنو با مشكل بزرگي مواجه بود. او در اين فكر بود كه چگونه مي‌تواند موتوري اينگونه طراحي كند؟ او چند دريچه را حذف نمود، سيلندر و پيستون را در نظر گرفت، بخار را حذف كرد تا از هوا استفاده كند. با گرم كردن هوا انبساط صورت مي‌گيرد و موتور به جلو حركت مي‌كند و برعكس. حرارت از دماي بالاتر وارد شده و پيستون كار

مي‌كند. اگر هوا سردتر است فشار كمتري به پيستون وارد مي‌كند. بدين ترتيب موتور ايده‌آل موجود شده است. موتور ايده‌آل بسياري از ويژگي موتورهاي واقعي را دارد. با ورود حرارت موتور آماده چرخه بعدي مي‌باشد.
حرارت به راحتي از سيلندر گرم به منبع سرد و برعكس از سيلندر سرد به منبع گرم راه مي‌يابد. در تمامي مراحل به حرارت و گرما نياز است.
سيلندر بايد قبلاً گرم شود. با حركت پيستون به عقب موتور در حالت عكس كار مي‌كند. كه اين فرايند همدما نام دارد.
در مرحله بعد با جدا شدن حرارت گاز به انبساط خود ادامه مي‌دهد اين مرحله برگشت‌پذير است. حال سيلندر آماده يك مرحله ديگر است.

بديهي است كه موتور كارنو در تخيل خوب كار مي‌كند، اما اشتراكاتي با موتورهاي ديگر دارد. اين موتور به محفظه‌اي براي انقباض و انبساط گازها نياز دارد. در حقيقت با ورود حرارت كمتر نيز بازدهي كافي و همان عملكرد بدست مي‌آيد. موتور واقعي با دريافت حرارت كار انجام مي‌دهد، اين مقدار

كار آن است كه موتور كارنو در جهت عكس به كار نياز دارد. سي دي كارنو ثابت كرد كه كار او عاري از اشتباه نبود. هيچ موتوري حتي موتور كارنو بازدهي كامل ندارد. كه اين امر بستگي به دماي گرم دارد، كه بازدهي موتور بيشتر است. سي دي كارنو در سن ۳۶ سالگي به دليل سينه‌پهلو درگذشت وي به شهرت چنداني نرسيد، اما ايده‌هاي كارنو فراتر از زمان خود بود.

هنگامي كه ژول اصل بقاي انرژي را مطرح كرد، شرايط براي كارنو دشوار شد. يك فيزيكدان آلماني به نام كلازيوس ايده كارنو را آسان ساخت. چيزي كه با عبور از موتور ايده‌آل تغيير نمي‌كند. اين كميت نسبت انرژي يا حرارت انرژي به دماي ورودي است. اختراع جيمز وات كه موتوري با بازدهي بيشتر در جهت بدست آوردن پول بيشتر است .

انتروپي
علم ترموديناميك برپايه چهار اصل كلي قرار دارد كه چهار قانون ترموديناميك ناميده مي‌شود. از ميان اين چهار قانون ابتدا قانون دوم و سپس قانون اول كشف شد. قانون سوم به نام قانون صفرم ناميده مي‌شود. البته اينها منطقي است چون علم ترموديناميك از منطقي‌ترين و كاربردي‌ترين علوم روي زمين است. به طور خلاصه اين چهار قانون را بيان مي‌كنيم: قانون صفرم درباره توصيف مفهوم دماست. قانون اول درباره اصل بقاي انرژي است. قانون دوم درباره اصل انتروپي و قانون سوم دمايي فوق‌العاده پايين و دور از دسترس است.

با استفاده از اين چهار اصل مي‌توان به:
توصيف ويژگيهاي ماده و حتي وضعيت نهايي جهان پرداخت در دنياي واقعي تعادل را كمتر مي‌توان يافت. در جزاير آتشفشاني مواد مذاب داغ بر سطح زمين جاري مي‌شود. در مناطق قطبي اقيانوس منجمد جنوبي بزرگترين دستگاه يخ‌سازي دنيا پيوسته مشغول كار است. در صحراي بزرگ آفريقا خورشيد بي‌رحمانه به سطح زمين مي‌تابد و آن را گرم مي‌كند. در آبشارهاي سراسر دنيا نيز آب به فرسايش سنگهاي دنيا مشغول است. از بدو شكل‌گيري تاكنون زمين به شكل يك ماشين بزرگ پيوسته مشغول كار است. زمين كارخانه‌اي است كه هميشه كار مي‌كند و هيچگاه تعطيل نمي‌شود. زمين يك موتور طبيعي است تا موقعي كه از خورشيد انرژي دريافت مي‌كند به كار خود ادامه خواهد داد. موتورهاي توليد نيرو از موج‌هاي دريا يا موتورهاي ديزل غول‌پيكري كه كشتي‌ها را به حركت درمي‌آورد و يا هر موتور ديگر تنها به يك دليل كار مي‌كند. به اين دليل كه حرارت و حركت مي‌تواند ماده را جابه‌جا كند. طي چند سال گذشته موتورهاي حرارتي پيشرفت زيادي داشتند، ولي از آن زمان تاكنون گرما فقط در يك جهت حركت مي‌كند. (از دماي بالاتر به دماي پايين‌تر). تمام موتورها و خود زمين به اين دليل بر كار خود ادامه مي‌دهند كه يكي از قسمتهاي آنها در دماي بالاتري قرار گرفته است.

در طبيعت جريانها و پديده‌هاي قدرتمندي در اتمسفر به وجود مي‌آيد، كه نيروي خود را از اختلاف دماي خط استوا و قطبهاي شمال بدست مي‌آورد. در هر مكان و هر موتوري اين اصل برقرار است. در اين خودروي موجود اختلاف دما بين سوخت و هواي درون سيلندر و‌ آبي كه در سيستم خنك‌كننده آن جريان دارد، باعث ادامه كار موتور مي‌شود. موتورهاي بخار نيز بين دماي بالاي ديگ بخار و دماي پايين هواي محيط كار مي‌كنند. هرچه اختلاف اين دو دما بيشتر باشد، (دماي بالا داغ‌تر و دماي پايين خنك‌تر باشد) موتور بهتر كار مي‌كند. ولي اگر جريان سوخت متوقف شود، و موتور شروع به خنك شدن كند، عملكرد آن نيز متوقف مي‌شود. البته اين به معني دردسر است.