Carnot Çevrimi ve Carnot Teoremi
Verimli bir ısı makinesi tasarımı amacı ile yola çıkan Carnot ilk olarak ideal bir ısı makinesini tanımladı. Isı makinesi, sıcaklığı daha yüksek olan bir ısı kaynağından (örneğin bir buhar kazanı) bir miktar ısı alan, bunun bir kısmını mekanik bir işe çevirerek geriye kalan kısmını sıcaklığı daha küçük olan atık ısı kaynağına veren (örneğin baca yolu ile havaya) bir sistemdir. Makineyi çevrimsel bir süreçle çalıştıran madde de genellikle bir gazdır. Bu makinenin verimi ise, mekanik işin ısı kaynağından alınan ısıya oram olarak tanımlanabilir.
Carnot verimin en yüksek değeri alabilmesi için çevrimdeki tüm süreçlerin tersinir olması gerektiğini saptadı ve tersinir bir çevrim olan Carnot çevrimini öne sürdü. Carnot çevrimine göre makineyi çalıştıran madde ilk aşamada eşsıcaklı olarak ısı kaynağından bir miktar ısı alıyor, bu ısıyı alırken genişliyordu. Isı kaynağı ile aynı sıcaklıkta olan bu genişleme sırasında bir pistonu iterek bir miktar mekanik iş. ı yapıyordu, ikinci aşamada makine sıcak su kaynağından yalıtılıyor, çalıştıran madde eşısılı olarak genişleyip iş yapmaya devam ederken soğuyordu. Bu aşama makineyi çalıştıran maddenin sıcaklığı, atık ısı kaynağı ile aynı sıcaklığa gelene dek sürüyordu. Üçüncü aşamada, madde eşsıcaklı olarak daralmaya başlarken, ilk aşamada aldığı ısının bir kısmını atık ısı kaynağına veriyordu. Bu aşama, ilk aşamada yapılan işin farkı kadar ısı atılana dek sürüyordu. Son aşamada ise madde eşısılı olarak daralmayı sürdürüyor, bu aşamada maddenin sıcaklığı ısı kaynağına eşit olana dek sürüyordu. Çevrim sonunda makineyi çalıştıran madde ilk haline dönünce, çevrim yeniden başlayabiliyordu.
Carnot bu çevrimde ısı kaynağından alman ısı, Q; ile atık ısı kaynağına atılan ısı, Q2’nin, bu ısı kaynaklarının mutlak sıcaklıkları T1 ve T2 ile orantılı olduğunu gösterdi. (Mutlak sıcaklık daha sonra Kelvin tarafından açıklığa kavuşturulacaktı. Santigrat derecesine 273 derece eklenerek mutlak derece elde edilir). Bu durumda,
carnot1.png” border=”0″ alt=”” width=”248 41″ align=”left” />
oluyordu. Makinenin veriminin ise (iş)/(alınan ısı) formülü ile hesaplandığına, iş, alman ve atılan ısının farkı (Q1-Q2) olduğuna göre verim
carnot.png” border=”0″ alt=”” width=”240 36″ align=”left” />
formülü ile verilir. Böylece kuramsal verimin yalnızca sıcak ısı kaynağı ve atık ısı kaynağının sıcaklıklarına bağlı olduğu, çalıştıran maddeden bağımsız olduğu anlaşıldı.
Carnot çevriminin tersinir bir süreç olması nedeniyle, eğer çevrim ters yönde işletilirse ısının mekanik iş yapmak koşulu ile soğuk bir yerden sıcak bir yere taşınabileceği ortaya çıkar. Bu da buzdolabının işleyişinin temelini oluşturur.
Carnot’nun bulduğu bir diğer önemli sonuç da aynı sıcak ısı kaynağı ile atık ısı kaynağı arasında çalışan tüm tersinir makinelerin Carnot makinesi ile aynı verime sahip oldukları, tersinir olmayan makinelerin veriminin ise Carnot makinesinden az olduğu sonucuydu. Böylece ısmm“hareket gücü”bu gücü ortaya çıkaran aracının (örneğin ısı makinesinin) özelliklerinden bağımsız olarak ısının aktarıldığı kaynakların sıcaklıkları ile belirleniyordu. Bu sonuç aslında termodinamiğin ikinci yasasıdır.
Termodinamiğin birinci yasası enerji korunumunun mekanik ve ısı enerjilerini birleştiren şeklidir. Ancak enerji korunumunun izin verdiği tüm olaylar gerçekleşemez. Örneğin bir mekanik iş yapmadan ısı soğuk bir yerden sıcak bir yere taşınamaz. Bir buzdolabını işletmek için enerji sağlamak gerekir. Tüm enerji dönüşümlerinin doğal olarak gerçekleştiği belirli bir yön vardır, bu yönü de ikinci yasa belirler, ikinci yasanın makroskopik düzeyde birçok ifade şekli vardır. Carnot teoremi bunlardan biridir. Mekanik iş yapmadan ısının soğuktan sıcağa taşınamayacağını belirten Clausius teoremi ile ısıyı tümüyle mekanik enerjiye çeviren ikinci tip sürekli hareket makinelerinin mümkün olmadığını belirten Kelvin -Planck teoremi de ikinci yasanın diğer ifade şekilleri arasındadır. Bütün bu değişik ifade şekillerinin eşdeğer olduğu gösterilebilir.
Camot’nun başlattığı bu çalışma, Clausius, Kelvin ve Boltzman tarafından matematik bir temele oturtularak ikinci yasanın analitik bir fonksiyon cinsinden ifade edilmesi sağlandı. Ancak Carnot, çevrim, tersinme, ideal verim, makroskopik durum fonksiyonları kavramlarının ısı kuramının incelenmesinde kullanılmasını sağlamakla yetinmemiş, ısı makinesi, ısı pompası vb. gibi pratik buluşları kuramsal bir temele oturtmuştur.
Türk ve Dünya Ünlüleri Ansiklopedisi