ما قوانین ترمودینامیک را در زمرۀ اساسی‌ترین پایه‌های فیزیک مدرن به شمار می‌آوریم. با این حال، تا نیمۀ اول قرن نوزدهم، کسی نتوانسته بود قوانین ترمودیناک را به صورت دقیق و با بهره‌گیری از اصطلاحات فیزیک، تدوین نماید. این دستاورد با آغاز به کار فیزیک‌دان فرانسوی و کم‌تر شناخته شده‌ای به نام نیکولا سعدی کارنو محقق گردید که در ادامه، به چرخه کارنو مشهور شد.
نام دستاورد: چرخه کارنو
تاریخ ثبت دستاورد: ۱۸۲۴
دستاورنده: نیکولا سعدی کارنو (Nicolas Sadi Carnot)
نیکولا سعدی کارنو در سال ۱۷۹۶ متولد شد. پدر وی، لازار کارنو (Lazare Carnot)، از نجیب‌زادگان فرانسه بود، و یکی از پرنفوذترین مردان مملکت پیش از شکست ننگ‌بار ناپلئون به شمار می‌آمد. او نام “Sadi” را به افتخار شاعر سرشناس ایرانی، سعدی شیرازی، برای پسر خود برگزید.
کارنو زیر نظر پدر خود با ریاضیات، علوم، زبان و موسیقی آشنا شد. او در ۱۶ سالگی وارد مدرسۀ پلی‌تکنیک شد و در محضر بزرگانی چون کلود-لویی ناویه (Claude-Louis Navier)، سیمون دنی پواسون (Simeon Denis Poisson) و آندره-ماری آمپر (Andre-Marie Ampere) به تحصیل پرداخت.
کارنو پس از فراغت از تحصیل، یک دورۀ آموزشی دو ساله در زمینۀ مهندسی نظامی در مس (Metz) فرانسه گذرانید که پیش از بازگشت موقت ناپلئون از تبعید، در سال ۱۸۱۵، به پایان رسید. پس از شکست ناپلئون در اکتبر همان سال، پدر کارنو به آلمان تبعید گردید و دیگر هرگز به فرانسه باز نگشت. کارنوی جوان که از موقعیت شغلی حال حاضر خود در ارتش رضایت نداشت، مقدمات آن را فراهم ساخت که به ستاد فرماندهی ملحق شده، و در کنار آن، کارهای علمی خود را نیز دنبال کند.
کارنو در سال ۱۸۲۱ با پدر و بردار خود، هیپولیت (Hippolyte)، در آلمان دیدار نمود. آلمان مهد اصلی بحث‌هایی بود که در زمینۀ موتور بخار صورت می‌گرفت. نیروی بخار در آن زمان برای استخراج معادن، شکل‌دهی به آهن گداخته، آسیاب غلات و بافتن پارچه به کار می‌رفت، اما موتور‌های فرانسوی قدرت و کارایی موتور‌های بریتانیایی را نداشتند. سعدی که متقاعد شده بود برتری بریتانیایی‌ها در این مورد به‌خصوص به شکست ناپلئون و تباه شدن دارایی خانواده‌اش منجر شده، تمام تلاش خود را به کار گرفت تا بتواند نظریۀ قدرتمندی در حیطه‌ی موتور بخار ارائه دهد.
هر چند موتور بخار تا آن زمان به خوبی توسعه داده شده بود، اما کارایی موتور‌های اولیه گاهی اوقات از ۳ درصد هم فراتر نمی‌رفت. و به همین خاطر، مهندسان با جدیتی وصف‌ناشدنی در صدد بهبود کارایی آن بودند. از سوی دیگر، پژوهش چندانی نیز بر روی اصول پایه‌ای عملکرد این نوع از موتور‌ها صورت نگرفته بود، که خود سرعت پیش‌روی در کارها را به شدت پایین می‌آورد. اصل تبدیل انرژی به تازگی مطرح شده بود و بین دانشمندان نیز بر سر آن بحث و جدل وجود داشت. ۲۰ سال به همین ترتیب گذشت تا این که در نهایت فردی از معادل مکانیکی نیروی گرما پرده‌برداری نمود.
کارنو و همکارانش در مطالعات خود از تئوری کالری تبعیت می‌کردند؛ بدین مفهوم که گرما نوعی سیال بدون‌وزن و نادیدنی است که در شرایط عدم تعادل از مکانی به مکان دیگر جریان می‌یابد.
دستاوردهای عظیم (۲۴): کشف گرمای نهان توسط جوزف بلک
کارنو پدر خود را در سال ۱۸۲۳ از دست داد. او در همین سال بود که با نوشتن مقاله‌ای تلاش کرد نوعی فرمول ریاضی برای کار صورت گرفته توسط یک کیلوگرم بخار ارائه نماید؛ اما این مقاله هیچ‌گاه منتشر نشد. حقیقت آن است که این مقاله اصلاً تا سال ۱۹۶۶ توجه کسی را به خود جلب نکرده بود.
او در ادامۀ کار خود، دو پرسش مهم در رابطه با موتور بخار عصر خود مطرح ساخت:
- ۱. آیا محدودیتی در حداکثر توان موتور بخار وجود دارد؟
- ۲. آیا سوخت بهتری نسبت به بخار وجود دارد که بتوان نیرویی مشابه را به کمک آن تولید نمود؟
او در سال ۱۸۲۴ کتاب Reflections on the Motive Power of Fire را منتشر ساخت، که در آن به توصیف نوعی موتور گرمایی فرضی پرداخته بود که می‌توانست بیشینه کار ممکن را به ازای دریافت مقدار معینی از انرژی، ارائه دهد. کارنو آن‌چه را که از دیدگاه وی اجزای اساسی موتور بخار محسوب می‌شد، در قالب یک مدل فرضی ایده‌آل خلاصه نمود که چرخه کارنو نام دارد. در چرخه کارنو (Carnot cycle) انرژی سیستم از اختلاف دمایی بین دو مخزن سرد و گرم تأمین می‌شود. چرخه کارنو با این که فقط یک مدل بود، اما توانست الهام‌بخش افرادی مانند رودلف دیزل (Rudolf Diesel) در طراحی موتورهایی باشد که در آن، مخزن گرم دمای بسیار بیش‌تری داشت؛ که این خود کارایی موتور را افزایش می‌داد.
کارنو از نتایج مطالعات خود فهمیده بود که مدل وی همواره مقداری از انرژی را در قالب اصطکاک، نویز و ارتعاش از دست خواهد داد. او می‌دانست که برای دستیابی به حداکثر کارایی در موتور بخار باید میزان هدرروی انرژی گرمایی جلوگیری نماید. او هم‌چنین از این قضیه آگاهی داشت که هیچ موتوری نمی‌تواند به کارایی کامل برسد. او تنها یک قدم دیگر تا کشف دومین قانون ترمودینامیک فاصله داشت.
کتاب او در ابتدا نتوانست توجه عدۀ زیادی را جلب نماید. نیکولا سعدی کارنو در ۳۶ سالگی، همراه با شمار زیادی از مردم، جان خود را در همه‌گیری وبای سال ۱۸۳۲ در پاریس از دست داد. اغلب متعلقات و نوشته‌های کارنو به منظور جلوگیری از گسترش بیماری، همراه با وی به خاک سپرده شد.
