Никола Леонард Сади Карно

Сади Карно
Сади Карно 1813. године у традиционалној униформи студента Политехничке школе
Име по рођењу	фр. Nicolas Léonard Sadi Carnot
Датум рођења	(1796-06-01)1. јун 1796.
Место рођења	Париз  Француска
Датум смрти	24. август 1832.(1832-08-24) (36 год.)
Место смрти	Париз  Француска
Пребивалиште	Француска
Држављанство	Француско
Занимање	Физичар, инжењер
Послодавац	Француска армија
Деловање	Карноов циклус Карноова ефикасност Карноова теорема Карноова топлотна машина

Никола Леонард Сади Карно (фр. Nicolas Léonard Sadi Carnot, Париз, 1. јун 1796 – Париз, 24. август 1832) био је француски физичар. Бавио се изучавањем термодинамике и његово најзначајније дело се односи на други закон термодинамике, које је названо Карноов принцип или Карноов циклус.

Основна мисао те расправе, објављене 1824. године, јесте да свака топлотна машина која прима топлотну енергију на вишој температури, претвара само део у рад и нужно предаје преостали део топлотне енергије на нижој температури; свеукупна топлотна енергија не може се претворити у рад. Карно је описао идеалну топлотну машину са максималним учинком, чији рад зависи само од температурне разлике два спремника топлоте, без обзира на то да ли рад врши водена пара, загрејани ваздух или нека друга материја.

Поред тога, Карно је већ 1831. дао прилично тачну вредност за механички еквивалент калорије.

Карноов циклус

Главни чланак: Карноов циклус

Карноов циклус као топлотни мотор, приказано на дијаграму температура – ентропија. Циклус се одвија између огревног спремника температуре T_H и расхладног спремника температуре T_C. На апсциси је ентропија, а на ординати температура.

Карноов топлотни мотор преноси енергију из топлијег (огрјевног) спремника температуре T_H у хладнији (расхладни) спремник температуре T_C, те притом део те енергије претвара у механички рад W.

Карноов циклус приказан у ПВ дијаграму (P - притисак, V - запремина).

Сваки термодинамички систем постоји у одређеном стању. Кад систем прође кроз низ различитих стања, те се врати у почетно, каже се да је обавио кружни процес. Током кружног процеса систем може да преда рад околини, те да тако делује као топлотни мотор. Карноов циклус је кружни процес који је осмислио Николас Леонард Сади Карно 1824. и касније проширио Емил Клаперон 1830-их и 40-их година. Систем који ради по Карноовом кружном циклусу је хипотетички Карноов топлотни мотор. Топлотни мотор преноси енергију из топлијег (огревног) спремника у хладнији (расхладни) спремник, те притом део те енергије претвара у механички рад. Циклус се такође може обрнути. Систему се може доводити рад споља, те се он онда понаша као тополотна пумпа (дизалица топлоте). Карноов циклус је кружни процес с највишим степеном искоришћења, односно највећи део примљене топлоте се претвара у рад, те се највећи део рада искориштава за дизање топлоте.

Када се Карноов циклус понаша као топлотни мотор састоји се од следећих промена стања:

1. Равнотежне изотермне експанзије гаса при температури огревног спремника T_H (изотермно довођење топлоте). Током ове промене стања (промена од А до Б на слици) систем предаје рад околини. Гас се експандира због примања топлоте Q₁ из огревног спремника.
2. Изоентропске (равнотежна адијабата) експанзије гаса (добијени изоентропски рад). Током ове промене стања (промена од Б до C на слици) систем је топлотно изолован од околине, те нити прима нити предаје топлоту. Гас наставља да се експандира, предајући притом рад околини. Та експанзија узрокује хлађење гаса до температуре расхладног спремника T_C.
3. Равнотежне изотермне компресије гаса при температури расхладног спремника, T_C (изотермно одвођење топлоте) (промена од C до D на слици). Овде околина врши рад на систему, те узрокује да количина топлоте Q₂ пређе из система на расхладни спремник.
4. Изоентропска компресија гаса (уложени изоентропски рад) (промена од D до A на слици). I овде је систем топлотно изолован од околине. Током ове промене стања околина врши рад на гасу, компримујући га, те узрокујући да температура порасте на T_H. У том тренутку гас је у истом стању као и на почетку.

Ступањ искориштења $\eta$ Карноовог циклуса се одређује као:

$\eta ={\frac {W}{Q_{H}}}=1-{\frac {T_{C}}{T_{H}}}\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad (3)$

где је:

$W$ је рад који је обавио систем (енергија постоји у систему као рад),

$Q_{H}$ је топлота доведена систему (топлота која улази у систем),

$T_{C}$ је апсолутна температура расхладног спремника, и

$T_{H}$ је апсолутна температура огревног спремника

$S_{B}$ је максимална ентропија система

$S_{A}$ је минимална ентропија система

Карноова теорема

Из горњег дијаграма се може видети да ни један кружни процес који ради између температура $T_{G}$ и $T_{H}$ не може да премаши ступањ корисности Карноовог циклуса. Карноова теорема каже: Ни једна топлотна машина који ради између два топлотна спремника не може бити делотворнија од Карноове машине између тих истих спремника. Стога једнаџба 3 даје максимални могући ступањ деловања за било који мотор који ради између тих температура. Логична последица Карноове теореме је: Све повратне машине које раде између истих топлотних спремника имају једнаки ступањ корисности. Ако се десна страна једначине напише мало другачије, види се да је теоретски максималан ступањ корисности једнак разлици температура огревног и расхладног спремника подељеној са температуром огревног спремника. Термодинамичка температура се добија ако се температури у ступњевима Целзијуса дода 273,15. Из формуле се види занимљива чињеница да ће снижавање температуре расхладног спремника ће имати већи утицај на максимални ступањ деловања него повишење температуре огревног спремника за исти износ. У стварном свету то је тешко остварити, будући да је расхладни спремник најчешће окружење.

Степен корисности реалних топлотних мотора

Карно је увидео да у стварности није могуће направити термодинамички повратан мотор, тако да реални топлотни мотори имају мањи ступањ корисности од оне у једначини 3. Упркојс тога, једначина 3 је јако важна за одређивање максималног ступња корисности који се може остварити између задатих топлотних спремника. Ово може помоћи при разумевању разлога из кога на пример прегрејач или мотор са унутрашњим сагоревањем може побољшати ступањ искориштења.

Литература

• Асимов, Исаац (1982), Асимов'с Биограпхицал Енцyцлопедиа оф Сциенце анд Тецхнологy (2нд рев. изд.), Доубледаy 
• Царнот, Сади (1960), Рефлецтион он тхе Мотиве Поwер оф Фире, Довер 
• Царнот, Сади (1977), Мендоза, Е., ур., Рефлецтион он тхе Мотиве Поwер оф Фире анд отхер паперс транслатед инто Енглисх, Глоуцестер, Массацхусеттс: Петер Смитх 
• Wилсон, С. С. (август 1981), „Сади Царнот”, Сциентифиц Америцан, 245 (2): 102—114, Бибцоде:1981СциАм.245б.134W, дои:10.1038/сциентифицамерицан0881-134 
• Биркинбине, Јохн; Wахл, W.M. (новембар 1901), „Тхе Диесел мотор”, Јоурнал оф тхе Франклин Институте, 152 (5): 371—382, дои:10.1016/с0016-0032(01)90202-9 
• Царнот, Сади (1890). Рефлецтионс он тхе Мотиве Поwер оф Хеат. Тхурстон, Роберт Хенрy (едитор анд транслатор). Неw Yорк: Ј. Wилеy & Сонс. 
• (фулл теxт оф 1897 ед.) (Архивирано 2012-02-04 на сајту Wayback Machine)
• Цхисхолм, Хугх, ур. (1911). „Царнот, Сади Ницолас Лéонхард”. Encyclopædia Britannica (на језику: енглески). 5 (11 изд.). Цамбридге Университy Пресс. 
• Еwинг, Ј. А. (1910) Тхе Стеам-Енгине анд Отхер Енгинес едитион 3, паге 62, виа Интернет Арцхиве
• Феyнман, Рицхард П.; Леигхтон, Роберт Б.; Сандс, Маттхеw (1963). Тхе Феyнман Лецтурес он Пхyсицс. Аддисон-Wеслеy Публисхинг Цомпанy. стр. 44-4ф. ИСБН 978-0-201-02116-5. 
• Халлидаy, Давид; Ресницк, Роберт (1978). Пхyсицс (3рд изд.). Јохн Wилеy & Сонс. стр. 541—548. ИСБН 978-0-471-02456-9. 
• Киттел, Цхарлес; Кроемер, Херберт (1980). Тхермал Пхyсицс (2нд изд.). W. Х. Фрееман Цомпанy. ИСБН 978-0-7167-1088-2. 
• Костиц, M (2011). „Ревиситинг Тхе Сецонд Лаw оф Енергy Деградатион анд Ентропy Генератион: Фром Сади Царнот'с Ингениоус Реасонинг то Холистиц Генерализатион”. АИП Цонф. Проц. АИП Цонференце Процеедингс. 1411 (1): 327—350. Бибцоде:2011АИПЦ.1411..327К. ЦитеСеерX 10.1.1.405.1945 . ИСБН 978-0-7354-0985-9. дои:10.1063/1.3665247.  Америцан Институте оф Пхyсицс. . Абстрацт ат: [2]. Фулл артицле (24 пагес [3]), алсо ат [4].
• Лиеб, Е.Х., Yнгвасон, Ј. (2003). Тхе Ентропy оф Цлассицал Тхермодyнамицс, пп. 147–195, Цхаптер 8 оф Ентропy, Гревен, А., Келлер, Г., Wарнецке (едиторс) (2003).

Спољашње везе

• О'Цоннор, Јохн Ј.; Робертсон, Едмунд Ф. „Никола Леонард Сади Карно”. МацТутор Хисторy оф Матхематицс арцхиве. Университy оф Ст Андреwс. 
• Reflections on the Motive Power of Heat (1890), English translation by R. H. Thurston (at Internet Archive)
• Sadi Carnot and the Second Law of Thermodynamics, J. Srinivasan, Resonance, November 2001, 42 (PDF file)
• Reflections on the Motive Power of Heat (1824), analysed on BibNum (click "À télécharger" for English analysis)