סאדי קרנו

ניקולא לאונר סאדי קרנו (בצרפתית: Nicolas Léonard Sadi Carnot; 1 ביוני 1796 – 24 באוגוסט 1832) היה פיזיקאי ומהנדס בצבא הצרפתי אשר מאמרו "הרהורים על כוחה המניע של האש" משנת 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 ובפוליטיקה. 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 התקבל קרנו כצוער באקול פוליטקניק שבפריז. בין עמיתיו היה גספאר גוסטב קוריוליס. האקול פוליטקניק יועד להכשיר מהנדסים לשירות צבאי, אולם בין המרצים היו מדענים דגולים כמו אנדרה מרי אמפר, פרנסואה ז'אן דומיניק אראגו, לואי ז'וזף גה-ליסאק וסימאון דני פואסון, ובית הספר היה ידוע בהוראת המתמטיקה. לאחר סיום לימודיו בשנת 1814 הפך קרנו 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, גורש לזאר ומקומו של סאדי בצבא תחת השלטון המלוכני של לואי השמונה עשר עמד בסכנה.

בשנת 1819 הועבר סאדי 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 וניסה להבין מהן ההגבלות בשיפור הביצועים של מנוע הקיטור, דבר שהוביל אותו לחקירות נוספות שהתפרסמו כ"הרהורים על כוחה המניע של האש" ב-1824.

קרנו פרש מהצבא בשנת 1828, ללא פנסיה. קרנו אושפז במוסד סגור כסובל מהזיות וממאניה, ונפטר בגיל 36 מכולרה בבית החולים באיברי-סיר-סן.

הרהורים על כוחה המניע של האש
רקע
כשקרנו התחיל לעבוד על ספרו, מנועי הקיטור כבר היו בעלי חשיבות רבה בכלכלה ובתעשייה, אולם לא היה מחקר מדעי אמיתי על הנושא.

תומאס ניוקומן היה הראשון שהמציא מנוע קיטור שמופעל באמצעות בוכנה כבר בשנת 1712. כ-50 שנה לאחר מכן ערך ג'יימס ואט את השיפורים המפורסמים שלו, שהובילו להגדלה ניכרת ביעילות מנועי הקיטור ובשימוש המעשי בהם.

באותה תקופה היו קיימים מנועים מורכבים והתחלה של מנועי בעירה פנימית, שקרנו הכיר וכתב עליהם בספרו. למרות שהייתה הבנה אינטואיטיבית כיצד פועלים המנועים, לא הייתה כמעט שום תאוריה מדעית שהסבירה את אופן פעולתם.

בשנת 1824 לא היה חוק שימור האנרגיה מפותח דיו ועורר מחלוקת רבה. ניסוח מדויק של החוק הראשון של התרמודינמיקה נמצא במרחק של יותר מעשור, ותאוריית החום נמצאה במרחק של יותר משני עשורים. התאוריה הנפוצה ששלטה אז בכיפה הייתה תאוריית הקלוריק, שלפיה חום הוא מעין נוזל המכונה קלוריק, הזורם מגופים חמים לגופים קרים כאשר אין שיווי משקל תרמודינמי.

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

מנוע קרנו

קרנו ביקש לענות על שתי שאלות לגבי 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, שהתפרסמה כספר פופולרי בשנת 1824 כשהיה רק בן 28. הספר נקרא "הרהורים על כוחה המניע של האש", והוא ניסה לכסות מגוון רחב של נושאים בהקשר למנועי חום בצורה פופולרית. המשוואות צומצמו למינימום ודרשו אריתמטיקה ואלגברה פשוטה, למעט מדי פעם בהערות השוליים כשהכניס מספר טיעונים ששילבו חשבון דיפרנציאלי.

הוא דן ביתרונות היחסיים של אוויר וקיטור שפועלים במנוע, ביתרונות של ההיבטים השונים בתכנון מנועי קיטור, ואפילו כלל מספר רעיונות משל עצמו בנוגע לשיפורים מעשיים.

החלק החשוב ביותר של הספר הוקדש להצגה מופשטת של מנוע אידיאלי שיכול לשמש כדי להבהיר את העקרונות היסודיים המוחלים על כל מנועי החום, ללא קשר לתכנון ולעיצוב שלהם.

התרומה הגדולה ביותר של קרנו לתרמודינמיקה הייתה ההפשטה של התכונות המהותיות של מנועי הקיטור, כפי שהיו בזמנו, למנוע חום כללי יותר ואידיאלי. הדבר הוביל ליצירת מודל של מערכת תרמודינמית, שעליה ניתן ליישם חישובים מדויקים ובכך להימנע מהסיבוכים שנבעו מהתכונות הגולמיות של מנועי הקיטור של אותה תקופה. באמצעות אידיאליזציה של המנוע, היה קרנו יכול 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 ותהליכים בזבזניים 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 בעל יעילות מקסימלית.

לגבי השאלה השנייה, קרנו היה בטוח למדי, שהיעילות המקסימלית המתקבלת אינה תלויה בטבעו המדויק של הנוזל או הגז. לטענתו, כוחו המניע של החום אינו תלוי בחומרים שנעשה בהם שימוש, אלא אך ורק בטמפרטורה של הגופים שביניהם מועבר הקלוריק.

מותו
קרנו נפטר מכולרה ב-1832 בגיל 36, בבית חולים לחולי נפש שבו אושפז. עקב האופי המדבק של הכולרה, מרבית מחפציו ומכתביו נקברו יחד אתו ורק מספר קטן ממאמריו המדעיים שרד.

לאחר הפרסום של "הרהורים על כוחה המניע של האש", הספר הורד מהר מאוד ממכבש הדפוס והיה קשה מאוד להשגה. ויליאם תומסון העיד כי היה קשה מאוד להשיג עותק של הספר של קרנו. בשנת 1890 פורסם תרגום לאנגלית של הספר וזו הגרסה שהודפסה 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 עקב מאגרים בעלי טמפרטורה גבוהה יותר.

התאוריות והמאמצים של קרנו לא שיפרו מיד את היעילות של מנועי הקיטור, אלא רק עזרו להבין מדוע יישום אחד עדיף על יישומים אחרים. רק לקראת סוף המאה ה-19 יושמו הרעיונות של קרנו הלכה למעשה. ספרו של קרנו השפיע בסופו של דבר במידה רבה על התכנון והעיצוב של  מנועים. לדוגמה רודולף דיזל, שהיה מוקסם מהתאוריות של קרנו, תכנן את מנוע הדיזל שבו הטמפרטורה של המאגרים גבוהה יותר מאשר במנוע הקיטור וכך יצר מנוע יעיל יותר.

קישורים חיצוניים





הערות שוליים

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