סאדי קרנו

ניקולא לאונרד סאדי קרנו (בצרפתית: Nicolas Léonard Sadi Carnot; 1 ביוני 1796 - 24 באוגוסט 1832) היה פיזיקאי ומהנדס צבאי צרפתי אשר מאמרו "הרהורים על כוחה המניע של האש" אותו פרסם ב-1824 נתן את ההסבר התאורטי המוצלח הראשון של מנוע החום, והמושג מנוע קרנו קרוי על שמו. בכך הניח קרנו את היסודות לחוק השני של התרמודינמיקה. אביו היה המתמטיקאי והמדינאי לזאר קרנו.
עבודתו של קרנו לא משכה תשומת לב רבה במהלך חייו, אולם לאחר מכן השתמשו בה רודולף קלאוזיוס וויליאם תומסון כדי לנסח את החוק השני של התרמודינמיקה וכדי להגדיר את המושג אנטרופיה.

חייו
סאדי קרנו נולד בפריז למשפחה שהייתה מפורסמת בעיסוקה במדעים ופוליטיקה. הוא היה הבן הראשון של לזאר קרנו, מתמטיקאי נודע, מהנדס צבאי והמנהיג של צבא צרפת בין נפילת לואי השישה עשר עד לעלייתו של נפולאון.

בגיל 16 קרנו נהיה לצוער באקול פוליטקניק שבפריז, בין עמיתיו היה גספאר גוסטב קוריוליס. האקול פוליטקניק יועד להכשיר מהנדסים לשירות צבאי, אולם בין מרציו היו מדענים דגולים כמו אנדרה מרי אמפר, פרנסואה ז'אן דומיניק אראגו, לואי ז'וזף גה-ליסאק, סימאון דני פואסון ובית הספר נהיה ידוע בהוראת המתמטיקה שלו. לאחר סיום לימודיו בשנת 1814 קרנו נהיה לקצין בצבא היבשה של צרפת בחיל ההנדסה.
אביו, לזאר שירת כשר הפנים של נפולאון בתקופת שלטון "מאה הימים", לאחר תבוסתו הסופית של נפולאון ב-1815, לזאר גורש ומקומו של סאדי בצבא תחת השלטון המלוכני של לואי השמונה עשר היה בסכנה.

בשנת 1819, סאדי הועבר למטה הכללי שהוקם בפריז. הוא נשאר בכוננות לשירות צבאי, אך מאותו רגע והלאה הקדיש את רוב זמנו ותשומת לבו למרדפים אינטלקטואליים פרטיים וקיבל רק שני שלישים ממשכורתו.
הוא השתתף בהרצאות בפיזיקה וכימיה והתעניין בלהבין מהן ההגבלות בשיפור הביצועים של  מנוע הקיטור, מה שהוביל אותו לחקירות נוספות שהתפרסמו כ"הרהורים על כוחה המניע של האש" ב-1824.

קרנו פרש מן הצבא בשנת 1828, ללא פנסיה, הוא אושפז במוסד סגור כסובל מהזיות וממאניה, בגיל 36 הוא נפטר מכולרה בבית החולים באיברי-סיר-סן.

הרהורים על כוחה המניע של האש

רקע
כשקרנו התחיל לעבוד על ספרו, מנועי הקיטור השיגו חשיבות כלכלית ותעשייתית רבה, אולם לא היה מחקר מדעי אמיתי עליהם.
תומאס ניוקומן היה הראשון שהמציא מנוע קיטור שמופעל באמצעות בוכנה לפני יותר ממאה בשנת 1712, כ-50 שנה אחר כך ג'יימס ואט ערך את השיפורים המפורסמים שלו שהיו אחראים להגדלת היעילות והמעשיות באופן ניכר של מנועי הקיטור.
באותה תקופה היו קיימים מנועים מורכבים והתחלה של מנועי בעירה פנימית, אותם הכיר קרנו וכתב עליהם בספרו. למרות שהייתה הבנה אינטואיטיבית כיצד פועלים המנועים לא הייתה כמעט שום תאוריה מדעית המסבירה את אופן פעולתם.

בשנת 1824 חוק שימור האנרגיה לא היה מפותח דיו והיה נתון למחלוקת רבה, ניסוח מדויק של החוק הראשון של התרמודינמיקה היה במרחק של יותר מעשור, תאוריית החום הייתה במרחק של יותר משני עשורים והתאוריה הנפוצה ששלטה אז הייתה תאוריית הקלוריק שגרסה שחום הוא מעין נוזל המכונה קלוריק, הזורם מגופים חמים לגופים קרים כאשר אין שיווי משקל תרמודינמי.

מהנדסים בתקופתו של קרנו ניסו, באמצעות שימוש בקיטור בלחץ גבוה ונוזלים, לייעל את המנועים. בשלבים מוקדמים אלה של פיתוח, היעילות של מנוע טיפוסי כלומר היכולת לעבוד בהינתן כמות של דלק שנשרף הייתה - 3%.

מנוע קרנו

קרנו ביקש לענות על שתי שאלות על אופן פעולתם של מנועי החום: "האם העבודה הזמינה ממקור חום יכולה להיות בלתי מוגבלת?" ו" האם בעיקרון ניתן לשפר את מנועי החום על ידי החלפת הקיטור בנוזל או גז אחר?", הוא ניסה לענות על שאלות אלה בביוגרפיה, שתפרסמה כספר פופולרי בשנת 1824 כשהיה רק בן 28. הספר נקרא "הרהורים על כוחה המניע של האש", הספר ניסה לכסות מגוון רחב של נושאים על מנועי החום בצורה פופולרית, המשוואות הושארו למינימום ודרשו אריתמטיקה ואלגברה פשוטה, למעט מדי פעם כאשר בהערות השוליים הוא הכניס מספר טיעונים ששילבו חשבון דיפרנציאלי.
הוא דן ביתרונות היחסיים של אוויר וקיטור שפועלים במנוע, ביתרונות של ההיבטים השונים בתכנון מנועי קיטור ואפילו כלל כמה רעיונות משל עצמו בנוגע לשיפורים מעשיים.
החלק החשוב ביותר של הספר הוקדש להצגה מופשטת של מנוע אידיאלי שניתן יהיה להשתמש בו כדי להבין ולהבהיר את העקרונות יסודיים שמוחלים באופן כללי על כל מנועי החום ללא קשר לתכנון ולעיצוב שלהם.

אולי התרומה הגדולה ביותר של קרנו לתרמודינמיקה הייתה ההפשטה של התכונות המהותיות של מנועי הקיטור, כפי שהיו בזמנו, למנוע חום כללי יותר ואידיאלי. זה הביא ליצירת מודל של מערכת תרמודינמית שעליה ניתן ליישם חישובים מדויקים ובכך להימנע מהסיבוכים שנבעו מהתכונות הגולמיות של מנועי הקיטור העכשוויים. באמצעות אידיאליזציה של המנוע, קרנו יכל לענות באופן ברור וללא עוררין על שתי שאלותיו המקוריות.

הוא הראה שהיעילות של המנוע האידיאלי היא פונקציה רק של 2 הטמפרטורות של המאגרים שביניהם הוא פועל. אין מנוע חום שיכול לפעול ביעילות גבוהה יותר בהינתן אותן טמפרטורות הפעלה.
מנוע קרנו הוא המנוע היעיל ביותר שקיים, לא רק בגלל חוסר בחיכוך ובתהליכים בזבזנים אחרים, הסיבה העיקרית היא שהוא מניח שאין הולכת חום בין חלקים במנוע עם טמפרטורות שונות, קרנו ידע שהולכת חום בין גופים בטמפרטורות שונות היא תהליך בזבזני ובלתי הפיך, שחייב להיעלם אם רוצים להשיג מנוע חום עם יעילות מקסימלית.

לגבי השאלה השנייה, קרנו היה די בטוח שהיעילות המקסימלית המתקבלת לא תלויה בטבע המדויק של הנוזל או הגז, הוא טען שכוחו המניע של החום הוא עצמאי מהחומרים המועסקים כדי להבין אותו, שהכמות שלו תלויה אך ורק בטמפרטורה של הגופים שביניהם מועבר הקלוריק.

מותו
קרנו נפטר מכולרה ב-1832 בגיל 36 בבית חולים לחולי נפש בו אושפז, בגלל האופי המדבק של כולרה מרבית מחפציו ומכתביו נקברו יחד איתו, כתוצאה מכך רק כמה מאמריו המדעיים שרדו.
לאחר הפרסום של "הרהורים על כוחה המניע של האש", הספר ירד מהר מאוד ממכבש הדפוס והיה קשה מאוד להשגה. לויליאם תומסון היה קשה מאוד להשיג עותק של הספר של קרנו. בשנת 1890 פורסם תרגום לאנגלית של הספר והגרסה הזאת הודפסה מחדש בעשורים האחרונים.

קרנו פרסם את ספרו בתקופת השיא של מנועי הקיטור. התאוריה שלו הסבירה מדוע מנועי קיטור המשתמשים בקיטור לוהט במיוחד היו טובים יותר וזאת בגלל התוצאה שהיא מאגרים עם טמפרטורה גבוהה יותר.
התאוריות והמאמצים של קרנו לא שיפרו מיד את היעילות של מנועי הקיטור, התאוריות שלו רק עזרו להבין מדוע פרקטיקה אחת עדיפה על האחרות. רק לקראת סוף המאה ה-19 הרעיונות של קרנו, כלומר שהיעילות של מנוע החום תגדל אם הטמפרטורה של המאגרים תגדל, יושמו למעשה. אולם ספרו של קרנו יצר בסופו של דבר השפעה אמיתית על תכנון ועיצוב מנועים. רודולף דיזל לדוגמה, שהיה מוקסם מהתאוריות של קרנו תכנן את מנוע הדיזל שבו הטמפרטורה של המאגרים גבוהה יותר מאשר במנוע הקיטור וכתוצאה מכך יצר מנוע יעיל יותר.

קישורים חיצוניים

 
 

פיזיקאים צרפתים
בוגרי אקול פוליטקניק
סגל אקול פוליטקניק
אנשי צבא צרפתים
נפטרים מכולרה
בריטים שנולדו ב-1796
צרפתים שנפטרו ב-1832