من بين جميع العمليات الديناميكية الحرارية الدورية ، فإن دورة كارنو لها أهمية نظرية خاصة وتطبيق عملي. غالبًا ما يطلق عليه اسم غير مسبوق ، عظيم ، مثالي ، إلخ. وبالنسبة للكثيرين ، يبدو عمومًا أنه شيء غامض وغير مفهوم. ومع ذلك ، إذا تم وضع جميع اللكنات بشكل صحيح ، فسيتم فتح كل بساطة وعبقرية وجمال هذا الاختراع ، الذي اكتشفه العالم والمهندس الفرنسي سادي كارنو ، على الفور. وسيتضح أنه لا يوجد شيء خارق للطبيعة في العملية التي اقترحها ، ولكن فقط الاستخدام الأكثر كفاءة لبعض قوانين الطبيعة.
إذن ما هي دورة كارنو الشهيرة والغامضة حقًا؟ يمكن تعريفها على أنها عملية شبه ثابتة تعتمد على إحضار نظام ديناميكي حراري في اتصال حراري مع زوج من الخزانات الثرموستاتية ذات قيم درجة حرارة ثابتة ومستقرة. حيثمن المفترض أن درجة حرارة (المدفأة) الأولى تتجاوز درجة حرارة الثانية (الثلاجة). تتكون دورة كارنو من حقيقة أن النظام الديناميكي الحراري أولاً ، الذي له قيمة حرارية معينة في البداية ، يتلامس مع السخان. ثم ، من خلال انخفاض بطيء للغاية في الضغط ، يحدث فيه تمدد شبه ثابت ، يرافقه استعارة الحرارة من السخان ومقاومة الضغط الخارجي.
بعد ذلك يتم عزل النظام مما يتسبب مرة أخرى في تمدد ثابت للحرارة شبه ثابت فيه حتى تصل درجة حرارته إلى درجة حرارة الثلاجة. مع هذا النوع من التمدد ، يتم أيضًا تنفيذ عمل معين لمقاومة الضغط الخارجي بواسطة النظام الديناميكي الحراري. في هذه الحالة ، يتلامس النظام مع الثلاجة ، ومن خلال زيادة الضغط باستمرار ، يتم ضغطه إلى نقطة معينة ، ونتيجة لذلك ينقل بالكامل الطاقة الحرارية المستعارة من السخان إلى الخزان الثاني. دورة كارنو فريدة من نوعها من حيث أنها غير مصحوبة بأي فقد للحرارة. من الناحية النظرية ، يمكن تسمية مثل هذا المخطط بآلة الحركة الدائمة. هذا لأن الكفاءة الحرارية لدورة Carnot ، اعتمادًا فقط على درجات حرارة زوج الخزان ، ستكون دائمًا أعلى ما يمكن. ومع ذلك ، لم ينجح أحد حتى الآن في إنشاء آلة تتجاوز كفاءتها الحرارية ثلاثين في المائة مما تسمح به العملية الدورية لسادي كارنو.
وتسمى هذه العملية بالمثالية لأنهاأفضل بكثير من الدورات الأخرى قادرة على تحويل الحرارة إلى عمل مفيد. من ناحية أخرى ، نظرًا للصعوبات في تنظيم وتنفيذ العمليات المتساوية ، فإن تطبيقه في المحركات الحقيقية صعب للغاية. لتحقيق أقصى قدر من كفاءة نقل الحرارة ، يجب أن تكون هذه الآلة معزولة تمامًا عن البيئة الخارجية ، وهو أمر شبه مستحيل في الواقع.
تقوم دورة كارنو العكسية على مبدأ تشغيل المضخة الحرارية ، والتي ، على عكس الثلاجة ، يجب أن تعطي أكبر قدر ممكن من الطاقة لبعض الأشياء الساخنة ، مثل نظام التدفئة. يتم استعارة بعض الحرارة من البيئة التي تحتوي على درجة حرارة منخفضة ، ويتم إطلاق باقي الطاقة المطلوبة أثناء أداء الأعمال الميكانيكية ، مثل الضاغط.
