Τρίτη, 12 Ιουλίου 2011

Σαν σήμερα στην Ιστορία της Φυσικής : (12 Ιουλίου 1824) Ο Sadi Carnot δημοσιεύει την πραγματεία του για τις θερμικές μηχανές)



Έχουμε αγκαλιάσει τους νόμους της θερμοδυναμικής ως ένα από τα πιο ουσιαστικά θεμέλια της σύγχρονης φυσικής. Ωστόσο, μέχρι πρόσφατα εως τις αρχές του 19ου αιώνα, κανείς δεν είχε κωδικοποιήσει τους νόμους της θερμοδυναμικής με ακρίβεια, σε φυσικούς όρους. Η διαδικασία ξεκίνησε με το έργο ένός ελάχιστα γνωστού Γάλλου φυσικού που ονομάζεται Sadi Carnot. 


Ο Σαντί Καρνό γεννήθηκε το 1796 σε μια οικογένεια που έπαιξε σημαντικό ρόλο στην ιστορία της Γαλλίας. Ο αδελφός του, Ιπολίτ διακρίθηκε στην πολιτική και, στη συνέ­χεια, ο γιος τού αδελφού του, Σαντί, ιδιετέλεσε πρόεδρος της Γαλλικής Δημοκρατίας από το 1887 ως το 1894.0 Λαζάρ Καρνό, ο πατέρας του (1753-1823), είχε αποκληθεί «Οργανωτής της Νίκης» για τον αποφασιστικό του ρόλο στον εξοπλισμό και στην οργάνωση του Επαναστατικού Στρατού το 1794, την εποχή που ήταν μέλος της κυ­βερνητικής Επιτροπής Δημόσιας Ασφάλειας. Ως φλογερός επαναστάτης, είχε ψηφί­σει υπέρ της εκτέλεσης του Βασιλιά. Αργότερα, συντάχθηκε με τον Ναπολέοντα και το 1800 έγινε υπουργός πολέμου. Αλλά ο Λαζάρ Καρνό δεν υπήρξε μόνο διοικητι­κός παράγοντας και πολιτικός· ήταν επίσης μαθηματικός και επιστήμονας, ο οποίος έγραψε ένα σπουδαίο βιβλίο περί του Λογισμού, καθώς και ένα θεώρημα της Τριγω­νομετρίας που φέρει το όνομά του. Έδειξε ενδιαφέρον και για τη Μηχανική, για τη μελέτη τόσο των θεωρητικών θεμελίων, όσο και πρακτικών προβλημάτων, όπως η κατασκευή αποδοτικών μηχανών. Αντιλήφθηκε ότι οι ξαφνικές αλλαγές της ταχύτη­τας σε τμήματα της μηχανής ήταν επιβλαβείς και ιδιαίτερα ότι, αν ήθελε κανείς να αποσπάσει όσο το δυνατόν περισσότερο χρήσιμο μηχανικό έργο από την πτώση του νερού, οι στρόβιλοι έπρεπε να κατασκευαστούν κατά τέτοιον τρόπο, ώστε το νερό να μπορεί να εισχωρεί σε αυτούς χωρίς κρούση και να φεύγει από αυτούς χωρίς σχε­τική ταχύτητα. Εκείνος ο τρόπος σκέψης πιθανώς να είχε επίδραση στο γιο του, Σα­ντί. Ο Λαζάρ είχε δύο παιδιά - τον Σαντί, τον φυσικό, και τον Ιπολίτ.
Ο Σαντί την εκπαίδευσή του την έλαβε κυρίως από τον πατέρα του μέχρι που έγινε δεκτός στην Εcole Polytechnique σ' ένα σύνολο εκατόν εβδομήντα εννέα νέ­ων ανθρώπων (αίτηση είχαν υποβάλει τετρακόσιοι δεκαεννέα). Τελείωσε δέκατος σε μια τάξη εξήντα πέντε φοιτητών, το 1814, την εποχή που η Αυτοκρατορία του Ναπολέοντα παρέπαιε. Ο Λαζάρ υπηρέτησε τον Ναπολέοντα για μια φορά ακόμη κατά τη διάρκεια των Εκατό Ημερών πριν το Βατερλώ. Μετά την τελική πτώση του Ναπολέοντα, ο Λαζάρ εξορίστηκε και πέθανε στο Μαγδεμβούργο.
Ο Σαντί κατείχε διάφορες θέσεις στο στρατό και εργάστηκε ως μηχανικός στη δημόσια διοίκηση. Από το στρατό αποσύρθηκε το 1828 με το βαθμό του λοχαγού. Είχε κληρονομήσει μια μέτρια περιουσία από τον παππού του, τον πατέρα τής μη­τέρας του και, παρ' όλο που εργάστηκε περιστασιακά σε μηχανολογικά θέματα, δεν φαίνεται να είχε συνεχή απασχόληση. Το 1832 αρρώστησε σοβαρά από οστρα­κιά και τέθηκε υπό περιορισμό σ' ένα νοσοκομείο. Από εκείνη την ασθένεια ανάρ­ρωσε, αλλά ύστερα από λίγο καιρό κόλλησε χολέρα, μια επιδημία που θέριζε τότε στο Παρίσι· πέθανε στις 24 Αυγούστου του 1832.
Γύρω στα 1824, σε ηλικία είκοσι οκτώ ετών, ο Καρνό έδειξε ενδιαφέρον για τις ατμομηχανές, που είχαν επινοηθεί και αναπτυχθεί από πρακτικούς ανθρώπους για πρακτικούς σκοπούς. Η ανάπτυξη τους βασιζόταν κυρίως στην εμπειρία. Εκφράζουμε θαυμασμό για την ευφυΐα και την επινοητικότητα του Τζαίημς Βατ (1736-1819), αλλά η στάση του άρμοζε περισσότερο σε μηχανικό, παρά σε επιστή­μονα. Η Μεγάλη Βρετανία την εποχή εκείνη διατηρούσε τα πρωτεία, παγκοσμίως, σε ό,τι αφορούσε την τεχνική αρτιότητα. Η Βιομηχανική Επανάσταση είχε ξεκινή­σει από εκεί και είχε επιτρέψει στη μικρή αυτή σχετικά νήσο να γίνει η πρώτη δύ­ναμη στον κόσμο. Ο Καρνό ήταν πολύ ευαίσθητος σ' αυτά τα θέματα· ως Γάλλος πατριώτης θα ήθελε να δει τη χώρα του να φθάνει και να ξεπερνά την Αγγλία, η οποία είχε πριν λίγο καιρό θριαμβεύσει εναντίον του Ναπολέοντα. Η συνεισφορά του σ' εκείνους τους στόχους που διακατέχονταν από πατριωτισμό επρόκειτο να είναι η επιστημονική μελέτη της ατμομηχανής.
Στην αρχή της μετάφρασης του έργου Reflexions από τον Ε. Μεντόζα, βρίσκουμε τα ακόλουθα:
Η πιο σημαντική υπηρεσία που η ατμομηχανή έχει προσφέρει στην Αγγλία είναι, χωρίς αμφιβολία, η «αναβίωση»» των ανθρακωρυχείων, τα οποία είχαν παρακμά­σει και απειλούνταν από παύση κάθε εργασίας, ως συνέπεια της συνεχώς αυξανό­μενης δυσκολίας αποστράγγισης τους και εξόρυξης του άνθρακα. Θα πρέπει να ιε­ραρχήσουμε ως δεύτερο το κέρδος στην παραγωγή σιδήρου εξαιτίας της άφθονης προμήθειας άνθρακα, ο οποίος αντικατέστησε το ξύλο όταν αυτό είχε πλέον αρχί­σει να γίνεται σπάνιο, και των ισχυρών μηχανών όλων των ειδών, τη χρήση των οποίων επέτρεψε ή διευκόλυνε η εισαγωγή της ατμομηχανής.
Ο σίδηρος και η θερμότητα αποτελούν, όπως ξέρουμε, τα στηρίγματα, τις βάσεις των μηχανικών τεχνών. Είναι αμφίβολο κατά πόσον υπάρχει στην Αγγλία μια βιο­μηχανική εγκατάσταση της οποίας η λειτουργία να μην εξαρτάται από τη χρήση αυτών των παραγόντων και να μην τους χρησιμοποιεί ελεύθερα. Η αφαίρεση σή­μερα από την Αγγλία των ατμομηχανών της θα ισοδυναμούσε με την ταυτόχρονη αφαίρεση του άνθρακα και του σιδήρου. Θα ισοδυναμούσε με στέρηση όλων των πλουτοπαραγωγικών της πηγών, με την καταστροφή κάθε παράγοντα στήριξης της ευημερίας της και, εν γένει, με την εξόντωση της κολοσσιαίας αυτής δύναμης. Η καταστροφή του ναυτικού της, το οποίο θεωρεί ως την ισχυρότερη άμυνά της, θα απέβαινε ίσως λιγότερο μοιραία...
Αν η τιμή για την ανακάλυψη {της ατμομηχανής} ανήκει στο έθνος στο οποίο εκείνη αναπτύχθηκε, η τιμή αυτή δεν μπορεί παρά να αποδοθεί στην Αγγλία. Ο Σέι- βερυ, ο Νιουκόμεν, ο Σμίτον, ο διάσημος Βατ, ο Γουλφ, ο Τρέβιθικ και μερικοί άλ­λοι Αγγλοι μηχανικοί είναι οι πραγματικοί δημιουργοί της ατμομηχανής. Στα χέ­ρια τους η ατμομηχανή βελτιωνόταν σταδιακά. Τελικώς, είναι φυσικό μια εφεύρε­ση να γεννιέται, να αναπτύσσεται και να τελειοποιείται σ' εκείνο το μέρος όπου η ανάγκη της είναι εντονότερα αισθητή.
Παρά το οποιοδήποτε έργο που επιτεύχθηκε με τις ατμομηχανές και παρά την ικα­νοποιητική κατάσταση στην οποία βρίσκονται σήμερα, η θεωρία τους λίγο έχει κατα­νοηθεί και οι απόπειρες βελτίωσης τους κατευθύνονται ακόμη, σχεδόν, από την τύχη.
Ο Καρνό ήθελε να καταλάβει τα ουσιώδη, ελπίζοντας ότι θα βοηθούσαν στη βελ­τίωση της πρακτικής. Έτσι άρχισε τις προσπάθειες σχηματοποίησης της ατμομηχανής με τον πιο αφηρημένο τρόπο. Καθοδηγήθηκε από την αναλογία του υδρο­στρόβιλου, όπου το νερό πέφτει από μια υψηλή σε μια χαμηλότερη στάθμη και η δυναμική του ενέργεια μετασχηματίζεται σε «κινητήρια δύναμη». Σε μια ατμομη­χανή, σκέφτηκε, η θερμότητα «πέφτει» από μια υψηλότερη σε μια χαμηλότερη θερ­μοκρασία και κατ' αυτόν τον τρόπο ελευθερώνει κινητήρια δύναμη. Ο Καρνό, τό­τε, βασίστηκε στη θερμιδική θεωρία κι έτσι του διέφυγε η θεμελιώδης διαφορά με­ταξύ θερμότητας και νερού: Ενώ η ποσότητα του νερού είναι σταθερή, η θερμότη­τα που ελευθερώνεται στη χαμηλότερη θερμοκρασία ελαττώνεται κατά ένα ποσό που είναι ανάλογο του έργου που λαμβάνεται. Δεν γνώριζε το γεγονός αυτό και συνέχισε με την υπόθεση ότι η θερμότητα διατηρείται (θερμιδική). Πολλά όμως από τα συμπεράσματα στα οποία κατέληξε επεκτείνονται στην πραγματική κατά­σταση, και εκείνο που έχει κορυφαία σημασία είναι ο τρόπος σκέψης του.
Να ποιο είναι το βασικό ερώτημα που διατύπωσε ο Καρνό: Υπάρχει κάποιο μέ­γιστο έργο που λαμβάνεται κατά την «πτώση» της θερμότητας από τη μια θερμο­κρασία στην άλλη και, αν είναι έτσι, από τι εξαρτάται;
Σε μια ατμομηχανή, για παράδειγμα, η θερμότητα παρέχεται σε ατμό που περιέ­χεται σ' έναν κύλινδρο τον οποίο κλείνει ένα πιστόνι. Είναι λογικό ότι η θερμότη­τα θα πρέπει να απονέμεται με όσο το δυνατόν μικρότερες μεταβολές της θερμο­κρασίας, γιατί σ' έναν υδροστρόβιλο το νερό πρέπει να εισέρχεται χωρίς κρούσεις και, επιπλέον, όταν η θερμότητα μεταφέρεται με αγωγή προς χαμηλότερη θερμο­κρασία, δεν λαμβάνεται έργο. Επεξεργαζόμένος την ιδέα εκείνη ο Καρνό κατάλαβε ότι όλες οι μετατροπές στη μηχανή θα πρέπει να αποτελούν διαδοχή καταστάσεων ισορροπίας. Ως συνέπεια, όμως, η μηχανή θα μπορούσε να λειτουργεί προς μία κατεύθυνση, ή, αντιστρέφοντας όλες τις λειτουργίες, προς την αντίθετη. Η μηχανή έπρεπε να είναι αντιστρεπτή.
Η μηχανή πρέπει να έχει μια πηγή θερμότητας σε υψηλή θερμοκρασία, μια δεξα­μενή θερμότητας σε χαμηλότερη θερμοκρασία και ένα σύστημα που μεταφέρει τη θερμότητα, για παράδειγμα έναν κύλινδρο με πιστόνι. Είναι σημαντικό ότι στη με­τατροπή, κατά την οποία η θερμότητα περνάει από υψηλότερης σε χαμηλότερης θερμοκρασίας δεξαμενή, το σύστημα μετάδοσης παραμένει τελείως αμετάβλητο. Μια τέτοια λειτουργία περιγράφτηκε από τον Καρνό και ονομάζεται κυκλική, που σημαίνει ότι, ύστερα από ένα σύνολο διεργασιών, το σύστημα μετάδοσηςς επιστρέ­φει στην αρχική του κατάσταση. Φυσικά, αυτό δεν συμβαίνει για τις δεξαμενές, εκτός και αν διατηρούνται, κατά κάποιο τρόπο, σε σταθερές θερμοκρασίες, όπως είχε υποθέσει ο Καρνό. Να πώς περιγράφει ο ίδιος τον διάσημο κύκλο, που φέρει το όνομά του, όπως εφαρμόστηκε σε μια μηχανή αέρος:
Ας θεωρήσουμε ένα ελαστικό ρευστό, τον ατμοσφαιρικό αέρα για παράδειγμα, κλεισμένο σ' ένα κυλινδρικό δοχείο, abed, με κινητό διάφραγμα ή έμβολο, cd. Έστω επίσης δύο σώματα, Α και Β, που το καθένα διατηρείται σε σταθερή θερμο­κρασία και η θερμοκρασία του Α είναι υψηλότερη από εκείνην του Β. Ας φαντα­στούμε τη σειρά των διεργασιών που πρόκειται να περιγραφούν:
(1) Επαφή του σώματος Α με τον αέρα που περιέχεται στο χώρο abed ή με το τοί­χωμα του χώρου αυτού - ένα τοίχωμα το οποίο υποθέτουμε ότι μεταδίδει τη θερ­μότητα γρήγορα. Ο αέρας αποκτά με μια τέτοια επαφή την ίδια θερμοκρασία με το σώμα A- cd είναι η πραγματική θέση του εμβόλου.
(2)                Το έμβολο ανυψώνεται βαθμιαίως και έρχεται στη θέση ef. Το σώμα Α βρίσκε­ται συνεχώς σε επαφή με τον αέρα, ο οποίος έτσι διατηρείται σε σταθερή θερμο­κρασία κατά τη διάρκεια της διαστολής. Το σώμα Α παρέχει την απαραίτητη θερ­μότητα για να διατηρηθεί η θερμοκρασία σταθερή.
(3)                Το σώμα Α αποσύρεται και ο αέρας παύει να βρίσκεται σε επαφή με οποιοδήπο­τε σώμα ικανό να του παρέχει θερμιδική. Το έμβολο, εν τω μεταξύ, συνεχίζει να κι­νείται και περνάει από τη θέση e/'στη θέση gh. Ο αέρας διαστέλλεται χωρίς να λαμ­βάνει θερμότητα και η θερμοκρασία του μειώνεται. Ας θεωρήσουμε ότι μειώνεται μέχρι να εξισωθεί με τη θερμοκρασία του σώματος Β· τη στιγμή αυτή το έμβολο σταματά, παραμένοντας στη θέση gh.
(4)                Ο αέρας βρίσκεται σε επαφή με το σώμα Β· συμπιέζεται με την επιστροφή του εμβόλου καθώς αυτό κινείται από τη θέση gh στη θέση cd. Ο αέρας αυτός παραμέ­νει, όμως, σε σταθερή θερμοκρασία εξαιτίας της επαφής του με το σώμα Β στο οποίο παρέχει θερμότητα.
Το σώμα Β αποσύρεται και η συμπίεση του αέρα συνεχίζεται και επειδή είναι απομονωμένος, η θερμοκρασία του ανεβαίνει. Η συμπίεση συνεχίζεται μέχρι να αποκτήσει ο αέρας τη θερμοκρασία του σώματος Α. Το έμβολο σ' αυτό το διάστημα περνάει από τη θέση cd στη θέση ik.
(5)       Ο αέρας ωθείται ξανά σε επα­φή με το σώμα Α. Το έμβολο επα­νέρχεται από τη θέση ik στη θέση ef- η θερμοκρασία παραμένει αμε­τάβλητη.
(6)       Το βήμα που περιγράφεται με τον αριθμό (3) επαναλαμβάνεται και στη συνέχεια ακολουθούν δια­δοχικά τα βήματα:
(4),(5),(6),(3),(4)(5),(6),(3),(4);(5) κ.τ.λ.
 Στις διάφορες αυτές διαδικασίες, το έμβολο υπόκειται σε μια δύναμη μεγαλύτερου ή μικρότερου μεγέ­θους που εξασκείται από τον αέρα ο οποίος περιέχεται στον κύλιν­δρο· η ελαστική δύναμη του αέρα αυτού μεταβάλλεται τόσο εξαιτίας των μεταβολών του όγκου, όσο και των μεταβολών της θερμοκρασίας. Αλλά θα πρέπει να σημειωθεί ότι με ίσους όγκους, που σημαίνει για παρόμοιες θέσεις του εμβόλου, η θερμοκρασία είναι υψηλότερη κα­τά τη διάρκεια των κινήσεων δια­στολής παρά κατά τη διάρκεια των κινήσεων συμπίεσης. Κατά τη διάρκεια των πρώτων, η ελαστική δύναμη του αέρα βρίσκεται ότι εί­ναι μεγαλύτερη και, ως συνέπεια, η ποσότητα της κινητήριας δύναμης που παράγεται με τις κινήσεις της διαστολής είναι περισσότερο ση­μαντική από εκείνη που καταναλώ­νεται για να παραχθούν οι κινήσεις της συμπίεσης. Έτσι, θα έπρεπε να πάρουμε ένα πλεόνασμα κινητή­ριας δύναμης -ένα πλεόνασμα που θα μπορούσαμε να χρησιμοποιή­σουμε για οποιονδήποτε σκοπό. Ο αέρας, τότε, έχει λειτουργήσει ως μηχανή θερμότητας· στην πραγματικότητα, τον χρησιμοποιήσαμε όσο ήταν δυνα­τό, κατά τον πιο ωφέλιμο τρόπο, γιατί καμιά άχρηστη επαναπόκτηση της ισορρο­πίας δεν επέδρασε στη θερμιδική.
Όλες οι διεργασίες που περιγράφτηκαν παραπάνω μπορεί να εκτελεστούν κατά την αντίστροφη φορά. Ας θεωρήσουμε ότι, μετά την έκτη περίοδο, που σημαίνει ότι το έμβολο έχει φθάσει στη θέση ef, το αναγκάζουμε να επιστρέψει στη θέση ik, και ταυτόχρονα διατηρούμε τον αέρα σε επαφή με το σώμα Α. Η θερμιδική δύναμη που αποδόθηκε από το σώμα αυτό κατά την έκτη περίοδο θα επέστρεφε στην πηγή της, που είναι το σώμα Α, και οι συνθήκες θα ήταν τότε ακριβώς οι ίδιες όπως στο τέλος της πέμπτης περιόδου. Αν τώρα απομακρύνουμε το σώμα Α και αναγκάσου­με το έμβολο να κινηθεί από τη θέση ik στη θέση cd, η θερμοκρασία του αέρα θα ελαττωθεί τόσους βαθμούς, όσους αυξήθηκε κατά τη διάρκεια της πέμπτης περιό­δου και θα εξισωθεί με τη θερμοκρασία του σώματος Β. Προφανώς μπορούμε να συνεχίσουμε μια σειρά διεργασιών, αντίστροφων προς αυτές που ήδη περιγράφτη­καν. Το μόνο απαραίτητο είναι να εκτελεστεί, υπό τις ίδιες συνθήκες, για κάθε πε­ρίοδο μια κίνηση διαστολής αντί μια κίνηση συμπίεσης, και αντιστρόφως. Οι πρώτες αυτές διεργασίες είχαν ως αποτέλεσμα την παραγωγή μιας ορισμένης ποσότητας κινητήριας δύναμης και την απομάκρυνση θερμιδικής από το σώμα Α στο σώμα Β. Το αποτέλεσμα των αντίστροφων διεργασιών είναι η κατανάλωση της παραγόμενης κινητήριας δύναμης και η απόδοση της θερμιδικής από το σώμα Β στο σώμα Α· έτσι οι δύο αυτές σειρές διεργασιών αλληλοαναιρούνται· κατά κά­ποιο τρόπο, η μία εξουδετερώνει την άλλη.
Σε μια απλούστερη, με γραφήματα, γλώσσα, παρουσιάζω το σχήμα που πρωτο- χρησιμοποίησε ο Κλαπεϋρόν, και στο οποίο παριστάνεται ο κύκλος Carnot σ' ένα p-Vδιάγραμμα. Ο κύκλος αποτελείται από τέσσερις μεταβολές - δύο αδιαβατικές και δύο ισόθερμες.
Η μηχανή είναι προφανώς αντιστρεπτή. Μπορούμε τώρα να συζεύξουμε δύο αντι­στρεπτές μηχανές, μια που να λειτουργεί κατά την ορθή φορά και μια κατά την αντίθε­τη. Αν η μία είχε υψηλότερη απόδοση από την άλλη, θα μπορούσαμε να πραγματοποι­ήσουμε ένα είδος αεικίνητου, το οποίο ο Καρνό θεωρεί παράλογο και εξηγεί γιατί:
Οι διεργασίες που μόλις περιγράψαμε θα ήταν δυνατό να έχουν λάβει χώρα κατά την αντίστροφη κατεύθυνση...
Με τις πρώτες τέσσερις διεργασίες θα γίνονταν ταυτόχρονα παραγωγή κινητή­ριας δύναμης και μεταφορά θερμότητας από το σώμα Α στο σώμα Β. Με τις αντί­στροφες διεργασίες υπάρχει ταυτόχρονα κατανάλωση κινητήριας δύναμης και από­δοση θερμότητας από το σώμα Β στο σώμα Α. Αλλά, αν έχουμε επενεργήσει σε κάθε περίπτωση στην ίδια ποσότητα ατμού, αν δεν δημιουργούνται απώλειες ούτε κινητή­ριας δύναμης ούτε θερμιδικής, η ποσότητα της κινητήριας δύναμης που παράγεται στην πρώτη περίπτωση θα είναι ίση μ' εκείνη που θα καταναλωνόταν στη δεύτερη, και η ποσότητα της θερμιδικής που πέρασε, στην πρώτη περίπτωση, από το σώμα Α στο σώμα Β θα ήταν ίση με την ποσότητα που αποδίδεται ξανά πίσω, στη δεύτερη πε­ρίπτωση, από το σώμα Β στο σώμα Α· έτσι θα μπορούσε να συνεχιστεί ένας άπειρος αριθμός εναλλακτικών διεργασιών αυτού του είδους χωρίς να έχει παραχθεί στο τέ­λος κινητήρια δύναμη ή να έχει μεταφερθεί θερμιδική από το ένα σώμα στο άλλο.
 Αν τώρα υπήρχαν κάποια μέσα χρησιμοποίησης της θερμότητας προτιμητέα από εκείνα που έχουμε εφαρμόσει, πράγμα που σημαίνει, αν ήταν δυνατό με κά­ποια μέθοδο να παράγει η θερμιδική μια ποσότητα κινητήριας δύναμης μεγαλύτε­ρη από εκείνη που παρήγαγε κατά την πρώτη σειρά των διεργασιών, θα αρκούσε να αποσπάσουμε ένα μέρος της δύναμης αυτής προκειμένου με τη μέθοδο που μό­λις υποδείχτηκε να αναγκάσουμε τη θερμότητα του σώματος Β να επιστρέψει στο σώμα Α από το ψυγείο στο φούρνο, να αποκαταστήσουμε τις αρχικές συνθήκες κι έτσι να είμαστε έτοιμοι να αρχίσουμε ξανά μια διαδικασία ακριβώς όμοια με την αρχική, κ.τ.λ: αυτό δεν θα αποτελούσε μόνον αέναη κίνηση, αλλά μια απεριόριστη δημιουργία κινητήριας δύναμης χωρίς κατανάλωση ούτε θερμιδικής ούτε οποιου­δήποτε άλλου μέσου. Μια τέτοια παραγωγή είναι εντελώς αντίθετη με τις μέχρι τώρα αποδεκτές ιδέες, με τους νόμους της μηχανικής και της ορθής Φυσικής. Είναι απαράδεκτη. Θα πρέπει τότε να συμπεράνουμε ότι η μέγιστη ποσότητα κινητήριας δύναμης που παράγεται από τη χρήση ατμού είναι επίσης η μέγιστη ποσότητα κι­νητήριας δύναμης που πραγματοποιείται με οποιονδήποτε τρόπο.
Η ένσταση μπορεί ίσως να προβληθεί εδώ, ότι η αέναη κίνηση, που αποδείχτηκε αδύνατη μόνον με μηχανική δράση, πιθανώς να μην είναι έτσι, αν ασκηθεί η δύνα­μη είτε της Θερμότητας είτε του Ηλεκτρισμού· αλλά είναι δυνατόν να αντιληφθεί κανείς τα φαινόμενα της Θερμότητας και του Ηλεκτρισμού ανεξάρτητα από κά­ποιο είδος κίνησης του σώματος και ως τέτοια δεν θα έπρεπε να υπόκεινται στους γενικούς νόμους της Μηχανικής; Εκτός τούτου, δεν γνωρίζουμε, a posteriori, ότι όλες οι απόπειρες που έγιναν για να παραχθεί αέναη κίνηση με οποιαδήποτε μέσα αποδείχθηκαν άκαρπες; - ότι ποτέ δεν καταφέραμε να παράγουμε μια κίνηση αλη­θινά αέναη, δηλαδή, μια κίνηση που θα συνεχίζεται για πάντα χωρίς να υφίστανται μεταβολές τα σώματα που τέθηκαν σε λειτουργία για να την πραγματοποιήσουν; Ο ηλεκτροκινητήρας (η στήλη του Βόλτα) θεωρήθηκε κάποιες φορές ως ικανός να παράγει αέναη κίνηση· έγιναν απόπειρες προκειμένου να πραγματοποιηθεί η ιδέα αυτή με την κατασκευή ξηρών στηλών που θεωρούνταν αμετάβλητες· ωστόσο, όμως, ό,τι κι αν επιχειρήθηκε, η συσκευή πάντα παρουσίαζε σημαντικές επιδεινώ­σεις όταν η δράση της ενισχυόταν για κάποιο χρόνο με ενέργεια.
Η γενική και φιλοσοφική αποδοχή των λέξεων αέναη κίνηση δεν θα έπρεπε να πε­ριλαμβάνει μόνο μια κίνηση επιδεκτική μιας άπειρης συνέχειας, αυτής μετά την αρ­χική ώθηση, αλλά τη δράση μιας συσκευής, μιας οποιασδήποτε διάταξης, η οποία είναι ικανή να δημιουργήσει απεριόριστα μεγάλη κινητήρια δύναμη, ικανή να θέσει σε κίνηση οποιοδήποτε φυσικό αντικείμενο βρεθεί υπό την επίδραση της, να υπερ­νικήσει την αδράνεια του· ικανή, τελικώς, να βρει σ' αυτήν τις απαραίτητες δυνά­μεις να κινήσουν όλο το σύμπαν, να παρατείνουν, να επιταχύνουν διαρκώς την κί- νησή του. Κάτι τέτοιο θα αποτελούσε αληθινή παραγωγή κινητήριας δύναμης. Αν υπήρχε μια τέτοια δυνατότητα, θα ήταν άχρηστο να αναζητούμε σε ρεύματα αέρος και νερού ή σε καύσιμα την κινητήρια αυτή δύναμη. Θα έπρεπε να είχαμε στη διάθε­ση μας μια ανεξάντλητη πηγή πάνω στην οποία θα σχεδιάζαμε κατά βούληση.
Έτσι, όλες οι αντιστρεπτές μηχανές πρέπει να έχουν την ίδια απόδοση, όπως αυτή ορίζεται ως, ο λόγος του έργου W, που λαμβάνεται, προς τη θερμότητα, Η, που δίνει η θερμή πηγή. Αφού δεν γίνεται καμιά αναφορά στην ουσία που χρησι­μοποιείται στον κύκλο, είναι φανερό ότι η ουσία δεν είναι σημαντική. Το ουσιώ­δες σημείο είναι η αντιστρεπτότητα του κύκλου. Συνεπάγεται, επίσης, ότι η απόδο­ση μιας αντιστρεπτής μηχανής μπορεί να εξαρτάται μόνον από τη θερμοκρασία τής θερμής και ψυχρής πηγής. Όλα αυτά ισχύουν και αποτελούν την ουσία των ση­μαντικών ανακαλύψεων του Καρνό.
Στο έργο Reflexions, ο Καρνό υπέθεσε ότι η θερμότητα που δίνεται στην ψυχρή πηγή Η' είναι η ίδια με την Η. Αυτό, φυσικά, είναι λάθος, γιατί στην πραγματικότητα Η- Η' = W από τη διατήρηση της ενέργειας. Ο Καρνό, στο έργο που έχει δημοσιεύσει, έκανε τη λανθασμένη υπόθεση ότι ισχύει η διατήρηση της θερμότητας. Η υποσημείω­ση, όμα)ς, που παρατέθηκε παραπάνω, αποδεικνύει ότι είχε αμφιβολίες. Είναι αξιο­σημείωτο, ωστόσο, ότι η σοβαρή αυτή ατέλεια δεν αλλοίωσε το μεγαλύτερο μέρος των συμπερασμάτων του και ότι την εποχή που καθιερώθηκε το αξίωμα διατήρησης της ενέργειας (περίπου είκοσι χρόνια μετά την έκδοση του βιβλίου του και δεκαπέ­ντε χρόνια μετά το θάνατο του), το έργο Reflexions μπορούσε να τροποποιηθεί κα­ταλλήλως και παρέμεινε ο στυλοβάτης της νέας επιστήμης της Θερμοδυναμικής.
Ο Καρνό προαισθανόταν την αρχή διατήρησης της ενέργειας. Ο πρόωρος θάνατος του όμως ματαίωσε την ολοκλήρωση της μελέτης του. Δυστυχώς, οι σημειώσεις που άφησε δεν έγιναν κατανοητές από τον αδελφό του, ο οποίος τις δημοσίευσε μόλις το 1878, όταν η Θερμοδυναμική είχε πλέον καθιερωθεί. Έτσι, οι σκέψεις του Καρνό για τη διατήρηση της ενέργειας δεν επηρέασαν το έργο των διαδόχων του, αλλά αξίζει, παρ' όλα αυτά, να παραθέσουμε ένα τμήμα από τα χειρόγραφα του, στο οποίο φαίνε­ται καθαρά πόσο είχε προχωρήσει. Μεταξύ των άλλων σημειώνει:
Σύμφωνα με κάποιες ιδέες που έχω διατυπώσει στη θεωρία της θερμότητας, η πα­ραγωγή μιας μονάδας κινητήριας δύναμης απαιτεί την καταστροφή 2,70 μονάδων θερμότητας. (Η σωστή τιμή για τις μονάδες που χρησιμοποιούσε είναι 2,30.)
Μια μηχανή που θα παρήγαγε 20 μονάδες κινητήριας δύναμης ανά χιλιόγραμμο άνθρακα θα έπρεπε να καταστρέφει 20 x 2,70/7000 από τη θερμότητα που αναπτύσσε­ται κατά την καύση. 20 χ 270/7000 = 8/1000 περίπου, που είναι μικρότερο του 1/100.
Όταν μια υπόθεση δεν επαρκεί πλέον για την εξήγηση των φαινομένων, θα πρέ­πει να εγκαταλειφθεί.
Αυτό συμβαίνει με την υπόθεση που θεωρεί τη θερμότητα ως ύλη, ως λεπτόρρευστη ουσία.
Τα πειραματικά δεδομένα που τείνουν να ανατρέψουν τη θεωρία αυτή είναι τα ακόλουθα:
 Η ανάπτυξη θερμότητας κατά την πρόσκρουση ή τριβή των σωμάτων (πειρά­ματα που έγιναν από τον Ράμφορντ, τριβή των τροχών στους άξονές τους, πειρά­ματα που πρόκειται να γίνουν). Εδώ η αύξηση της θερμοκρασίας λαμβάνει χώρα ταυτόχρονα στο σώμα που προκαλεί την τριβή και στο σώμα που την υφίσταται. Επιπλέον, δεν μεταβάλλουν αισθητά το σχήμα ή τη φύση τους (προς απόδειξη). Έτσι η θερμότητα παράγεται από την κίνηση. Αν είναι ύλη, πρέπει να παραδεχθού­με ότι η ύλη δημιουργείται από την κίνηση.
Ο Καρνό έγραψε ένα μόνο επιστημονικό έργο -ένα λεπτό βιβλίο εκατόν δεκαοκτώ σελίδων, με τον τίτλο Reflexions surla puissance motrice de feu (Σκέψεις περί της κι­νητήριας δύναμης της φωτιάς). Κυκλοφόρησε το 1824 σε μια εκτύπωση εξακοσίων αντιτύπων, με έξοδα του συγγραφέα και πέρασε σχεδόν απαρατήρητο. Το γεγονός ότι ήταν ο γιος τού Λαζάρ Καρνό, ενός πολύ διακεκριμένου Γάλλου και μέλους της Academie des Sciences που είχε πεθάνει τον προηγούμενο χρόνο, δεν κατάφερε να αποσπάσει την περιέργεια φίλων τού πατέρα του, οι οποίοι είχαν ακούσει μια σύ­ντομη περιγραφή της έκδοσης σε μια από τις συναντήσεις της Academie. Το βιβλίο, ωστόσο, μελετήθηκε από έναν απόφοιτο της Εcole Polytechnique, τον Εμίλ Κλαπεϋρόν (1792-1864). Δύο χρόνια μετά την αποφοίτησή του, ο Κλαπεϋρόν πήγε στη Ρω­σία για έντεκα χρόνια με σκοπό να εξασκηθεί στη μηχανολογία και να διδάξει στη μηχανολογική σχολή στην Αγ. Πετρούπολη. Όταν επέστρεψε στη Γαλλία, εργάστηκε στην κατασκευή σιδηροδρόμων και έδειξε ενδιαφέρον για τη βελτίωση των μηχανών των τρένων. Το 1833 έπεσε τυχαία στα χέρια του το βιβλίο του Καρνό, το μελέτησε, αναπαρήγαγε το πιο ουσιώδες τμήμα του σε μια περισσότερο αναλυτική μορφή και δημοσίευσε τα αποτελέσματά του στο περιοδικό Journal de l' Εcole Polytechnique το 1834, αφού είχε συναντήσει την άρνηση άλλων περιοδικών. Είχε ήδη περάσει ένας χρόνος από το θάνατο του Καρνό και δέκα χρόνια από την εμφάνιση του έργου του Reflexions (Σκέψεις). Από το άρθρο του Κλαπεϋρόν, ο Ουίλιαμ Τόμσον, και αργότε­ρα Λόρδος Κέλβιν (1824-1907), έμαθε το 1847 για την ύπαρξη του βιβλίου τού Καρ­νό και αναγνώρισε τη θεμελιώδη σημασία του. 
Τα περισσότερα αντικείμενα και τα γραπτά του θάφτηκαν μαζί του, ως προληπτικό μέτρο για την πρόληψη της περαιτέρω εξάπλωσης της ασθένειας. Περιγράφεται από τους σύγχρονούς του ως «ευαίσθητος και διορατικός,» αλλά και «εσωστρεφής» και «απόμακρος», ο Carnot ήταν τουλάχιστον 20 χρόνια μπροστά από την εποχή του. 


Εδώ μπορείτε να διαβάσετε το βιβλίο του στα γαλλικά. 
Και μια σειρά από simulations πάνω στη μηχανή Carnot. (1 , 2, 3, 4)

 Πηγές: 

1. http://www.aps.org/publications/apsnews/200906/physicshistory.cfm
2. Emilio Segre, Ιστορία της Φυσικής, τόμος I: Aπό την πτώση των σωμάτων έως τα ραδιοκύματα, Δίαυλος.






 









Δεν υπάρχουν σχόλια: