محرك كارنو الحراري
محرك كارنو الحراري  هو محرك والذي يعمل بدورة كارنو الانعكاسية. تم اكتشاف النموذج الأساسي لهذا المحرك بواسطة كارنو عام 1824. محرك كارنو الحراري تم رسمه بواسطة (Nicolas Benoît Paul Émile) عام 1834 وتم تحويله رياضيا بواسطة كلازيوس عام 1857 والذي منه تم ظهور مبدأ الأنتروبى(entropy).

يتواجد كل نظام ديناميكي حراري في حالة معينة. تحدث دورة الديناميكا الحرارية عد مرور النظام بمجموعة من الحالات المختلفة ويرجع في النهاية إلى الحالة الابتدائية له. خلال هذه الدورة فإنه من المحتمل أن يبذل شغل على المحيط من حوله ومن هنا يعمل كمحرك حراري.

يعمل المحرك الحرارى عن طريق تحويل الطاقة من المنطقة ذو الحرارة العلى إلى المنطقة الأقل في درجة الحرارة محولا جزأ من هذه الطاقة إلى شغل ميكانيكى. يمكن لهذه الدورة أن تكون انعكاسية. يمكن للنظام ان يعمل تحت تأثير قوة خارجية كما يمكن تحويل الطاقة من النظام البارد إلى النظام الساخن مثل الثلاجة والمضخة الحرارية.

مخطط كارنو 
من خلال شغل كارنو، تأملات في القدرة الدافعة للنار، هناك جسمان A و B كلاهما عند درجة حرارة ثابتة. درجة حرارة الجسم A أكبر من B. الجسمان يمكن لنا إضافة حرارة لهما أو إزالة حرارة منهما دون تغير درجة حرارتهما (تطبيق لنظرية السيال الحراري). يُطلق على الجسم الأول اسم الفرن والآخر الثلاجة. يوضح كارنو كيف يمكن الحصول على شغل بواسطة نقل كمية من الحرارة من الجسم A إلى الجسم B. أيضا يمكن عمله كمبرد وبالتالي يعمل كثلاجة.

المخطط الحديث 

توضح الصورة مخطط المكبس والأسطوانة المستخدم بواسطة كارنو لتوضيح المحرك المثالى. يوضح المخطط رسم بياني لمحرك حرارى مثل محرك كارنو.يمكن المادة العاملة أو النظام كما تم تسميته بواسطة كلازيوس عام 1850 ان تكون سائل أو غاز حيث يمكن من خلاله تحويل الحرارة إلى شغل. وضع كارنو أفتراضات مثل أن المادة المستخدمة يمكن أن تكون أي مادة لها القدرة على التمدد مثل بخار الماء، بخار الزئبق، غاز مستمر أو هواء. في السنوات الأخيرة يتم إمداد الحرارة  (QH) بواسطة الغلاية حيث يتم تسخين الماء أما الـ QC فهي تأتى من سريان الماء القادم من المكثف والموجود بشكل منفصل في المحرك. الشغل هنا هو ناتج عن حركة المكبس والمستخدم لإدراة الذراع الساعد(crank-arm) ولذي بدوره يقوم بإدارة البكرة لرفع الماء من مناجم الملح التي غمرتها المياه. قام كارنو بتعريف الشغل على أنه الوزن الرفوع لارتفاع معين.

دورة كارنو 

تتكون دورة كارنو عند عملها كمحرك حرارى من الخطوات التالية:

  
  تمدد بعملية متساوية الأعتلاج (Isentropic) وهي تمثل بـ (من 2 إلى 3 في شكل 1 أو من B إلى C في شكل 2). تم فرض أن المكبس والأسطوانة معزولان. ولذلك فم ايفقدوا أو يكتسبوا حرارة. يستمر الغز في التمدد باذلا شغل على الوسط وفاقدا جزأ من الطاقة الداخلية مما يؤدى إلى خفض درجة حرارة الغاز إلى TC بدون تغير في الإنتروبى (entropy). 
 المرحلة الثالثة وهي انضغاط عكسي بثبوت درجة الحرارة (طرد حرارة بثبوت درجة الحرارة) (من 3 إلى 4 في الشكل 1 أو من C إلى D في الشكل 2) وفي هذه الخطوة يبذل الوسط شغل على الغاز مما يسبب سريان جزأ من الحرارة  Q2 والأنتروبى غلى الخزان 1ذو درجة الحراة المنخفضة.

نظرية كارنو 

نظرية كارنو تنص على أنه ليس هناك محرك يعمل بين خزانين حرارين يكون أكثر كفاءة من محرك كانو والذي يعمل بين نفس الخزانين.
 
تفسير: يتم تعريف أقصى كفاءة كما هو موضح أعلاها: 
 
  الحرارة الداخلة للنظام.
  
  

طبقا لنظرية كارنو فإن كل المحركات الانعكاسية والتي تعمل بين نفس الخزانين الحرارين لها نفس الكفاءة.
إنه من السهل إثبات أن الكفاءة تكون أقصي ما يمكن عندما تكون العملية إنعكاسية. هذا يعنى ان الأنتروبى الكلية للنظام والتي تتمثل في 3 أجزاء وهي أنتروبى الخزان الساخن وانتروبى المائع العامل في النظام وأنتروبى الخزان الساخن. الأنتروبى الكلية تكون ثابتة عندما يعود المائع إلى نقطة بدايته بعد انتهاء دورته.

(COP)(Coefficient of Performance) معامل الكفاءة له علاقة عكسية مع الكفاءة.

الكفاءة الحقيقة للمحرك الحرارى 
للمحرك الحرارى الحقيقى فإن جميع العمليات تكون غير انعكاسية. يعود المائع إلى نقطة بدايته بعد انتهاء دورته، ولذلك فإن التغير في الأنتروبى يكون صفر ولكن مجموع التغير للأنتروبى في الخزانين يكون أكبر من الصفر.

الطاقة الدخلية للمائع أيضا متغيرة ولذلك التغير الكلى يكون مساويا للصفر. ولذلك فإن الشغل المبذول W بواسطة النظام يكون مساويا للحرارة الدخلة للنظام  QH مطروحا منه الحرارة المطرودة QC.
 

للمحركات الحقيقية عند اكتساب أو طرد الحرارة إلى الخزان يكون هناك فرق في درجة الحراة بين درجة حرارة الخزان ودرجة حرارة المائع.
أثناء أنتقال الحرارة من الخزان ذو درجة الحارة TH إلى المائع تكون درجة حرارة المائع أقل بقليل من TH  وتحدث هذه العملية دون ثبات درجة الحراة. ويكن التغير في الأنتروبى هو: 
حيث درجة حرارة المائع T تكون أقل من درجة حرارة TH . 
 لذلك نحصل على: 

وبالتشابه عند طرد الحارة من المائع للخازن البارد ويكن التغير في الأنتروبى هو: ,
وتكون هنا درجة حرارة المائع T أكبر من درجة حرارة الخزان. 

وبما أن التغير الكلى للأنتروبى هو صفر فإن: 
 
وبالتالى نحصل على: 
ينتج عن المعادلة 2 و 7 : 
 
ولذلك: 
 
   

المعادلة رقم 7 توضح أن الأنتروبى الكلية للخزانين والمائع تزداد للمحرك الحقيقى لأن النتروبى التي اكتسبها الخزان البارد تكون أكبر من المفقودة من الخزان الساخن.
طبقا للنظرية الثانية فإن كفاءة محرك كارنو لا تعتمد على طبيعة المادة العاملة.

ملاحظات 

دورات ديناميكية حرارية
محركات
محرك كارنو الحرار ي هو محرك و الذي يعمل بدورة كارنو الانعكاسية . تم اكتشاف النموذج الأساسي ل هٰذا المحرك ب واسطة كارنو عام محرك كارنو الحرار ي تم رسم ه ب واسطة ( Nicolas Benoît Paul É mile ) عاموتم تحويل ه رياضيا ب واسطة كلازيوس عامو الذي من ه تم ظهور مبدأ الأنتروبى ( entropy ) . يتواجد كل نظام ديناميكي حرار ي في حالة معينة . تحدث دورة الديناميكا الحرارية عد مرور النظام بمجموعة من الحالات المختلفة و يرجع في النهاية إلى الحالة الابتدائية ل ه . خلال هذه الدورة ف إن ه من المحتمل أن يبذل شغل على المحيط من حول ه و من هنا يعمل كمحرك حرار ي . يعمل المحرك الحرارى عن طريق تحويل الطاقة من المنطقة ذو الحرارة العلى إلى المنطقة الأقل في درجة الحرارة محولا جزأ من هذه الطاقة إلى شغل ميكانيكى . يمكن ل هٰذه الدورة أن تكون انعكاسية . يمكن ل النظام ان يعمل تحت تأثير قوة خارجية كما يمكن تحويل الطاقة من النظام البارد إلى النظام الساخن مثل الثلاجة والمضخة الحرارية . مخطط كارنو من خلال شغل كارنو ، تأملات في القدرة الدافعة للنار ، هناك جسمان A و B كلى هما عند درجة حرارة ثابتة . درجة حرارة الجسم A أكبر من B . الجسمان يمكن ل نا إضافة حرارة ل هما أو إزالة حرارة من هما دون تغير درجة حرارتهما ( تطبيق ل نظرية السيال الحرار ي ) . يُطلق على الجسم الأول اسم الفرن و الآخر الثلاجة . يوضح كارنو كيف يمكن الحصول على شغل ب واسطة نقل كمية من الحرارة من الجسم A إلى الجسم B . أيضا يمكن عمل ه كمبرد و ب التالي يعمل كثلاجة . المخطط الحديث توضح الصورة مخطط المكبس والأسطوانة المستخدم ب واسطة كارنو لتوضيح المحرك المثالى . يوضح المخطط رسم بياني لمحرك حرارى مثل محرك كارنو . يمكن المادة العاملة أو النظام كما تم تسمية ه ب واسطة كلازيوس عامان تكون سائل أو غاز حيث يمكن من خلال ه تحويل الحرارة إلى شغل . وضع كارنو أفتراضات مثل أن المادة المستخدمة يمكن أن تكون أي مادة ل ها القدرة على التمدد مثل بخار الماء ، بخار الزئبق ، غاز مستمر أو هواء . في السنوات الأخيرة يتم إمداد الحرارة ( QH ) ب واسطة الغلاية حيث يتم تسخين الماء أما الـ QC ف هي تأتى من سريان الماء القادم من المكثف والموجود ب شكل منفصل في المحرك . الشغل هنا هو ناتج عن حركة المكبس والمستخدم لإدراة الذراع الساعد ( crank - arm ) ولذي ب دور ه يقوم ب إدارة البكرة ل رفع الماء من مناجم الملح التي غمرت ها المياه . قام كارنو ب تعريف الشغل على أن ه الوزن الرفوع ل ارتفاع معين . دورة كارنو تتكون دورة كارنو عند عمل ها كمحرك حرارى من الخطوات التالية : تمدد ب عملية متساوية الأعتلاج ( Isentropic ) و هي تمثل بـ ( منإلىفي شكلأو من B إلى C في شكل تم فرض أن المكبس والأسطوانة معزولان . و لذٰلك فم ايفقدوا أو يكتسبوا حرارة . يستمر الغز في التمدد باذلا شغل على الوسط وفاقدا جزأ من الطاقة الداخلية مما يؤدى إلى خفض درجة حرارة الغاز إلى TC ب دون تغير في الإنتروبى ( entropy ) . المرحلة الثالثة و هي انضغاط عكسي ب ثبوت درجة الحرارة ( طرد حرارة ب ثبوت درجة الحرارة ) ( منإلىفي الشكلأو من C إلى D في الشكلوفي هذه الخطوة يبذل الوسط شغل على الغاز مما يسبب سريان جزأ من الحرارة Q2 والأنتروبى غلى الخزانو درجة الحراة المنخفضة . نظرية كارنو نظرية كارنو تنص على أن ه ليس هناك محرك يعمل بين خزانين حرارين يكون أكثر كفاءة من محرك كانو و الذي يعمل بين نفس الخزانين . تفسير : يتم تعريف أقصى كفاءة كما هو موضح أعلى ها : الحرارة الداخلة ل النظام . طبقا ل نظرية كارنو ف إن كل المحركات الانعكاسية و التي تعمل بين نفس الخزانين الحرارين ل ها نفس الكفاءة . إن ه من السهل إثبات أن الكفاءة تكون أ قصي ما يمكن عندما تكون العملية إنعكاسية . هذا يعنى ان الأنتروبى ال كلية ل النظام و التي تتمثل في أجزاء و هي أنتروبى الخزان الساخن وانتروبى المائع العامل في النظام وأنتروبى الخزان الساخن . الأنتروبى ال كلية تكون ثابتة عندما يعود المائع إلى نقطة بداية ه بعد انتهاء دورة ه . ( COP ) ( Coefficient of Perform ance ) معامل الكفاءة ل ه علاقة عكسية مع الكفاءة . الكفاءة الحقيقة للمحرك الحرارى للمحرك الحرارى الحقيقى ف إن جميع العمليات تكون غير انعكاسية . يعود المائع إلى نقطة بداية ه بعد انتهاء دورة ه ، و لذٰلك ف إن التغير في الأنتروبى يكون صفر و لٰكن مجموع التغير للأنتروبى في الخزانين يكون أكبر من الصفر . الطاقة الدخلية للمائع أيضا متغيرة و لذٰلك التغير الكلى يكون مساويا للصفر . و لذٰلك ف إن الشغل المبذول W ب واسطة النظام يكون مساويا للحرارة الدخلة ل النظام QH مطروحا من ه الحرارة المطرودة QC . للمحركات الحقيقية عند اكتساب أو طرد الحرارة إلى الخزان يكون هناك فرق في درجة الحراة بين درجة حرارة الخزان و درجة حرارة المائع . أثناء أنتقال الحرارة من الخزان ذو درجة الحارة TH إلى المائع تكون درجة حرارة المائع أقل ب قليل من TH و تحدث هذه العملية دون ثبات درجة الحراة . ويكن التغير في الأنتروبى هو : حيث درجة حرارة المائع T تكون أقل من درجة حرارة TH\ . ل ذٰلك نحصل على : وبال تشابه عند طرد الحارة من المائع للخازن البارد ويكن التغير في الأنتروبى هو : , و تكون هنا درجة حرارة المائع T أكبر من درجة حرارة الخزان . و ب ما أن التغير الكلى للأنتروبى هو صفر ف إن : وبالتالى نحصل على : ينتج عن المعادلةو : و لذٰلك : المعادلة رقمتوضح أن الأنتروبى ال كلية للخزانين والمائع تزداد للمحرك الحقيقى لأن النتروبى التي اكتسب ها الخزان البارد تكون أكبر من المفقودة من الخزان الساخن . طبقا لل نظرية الثانية ف إن كفاءة محرك كارنو لا تعتمد على طبيعة المادة العاملة . ملاحظات دورات ديناميكية حرارية محركات