‏فعالية الالة الحرارية Efficiency of the Thermal Engine

‏لقد كان المهندس الفرنسي سادي كارنو (Sadi Carnot) أول من جابه مشكلة فعالية (الآلة الحرارية) . إن ما فعله كارنو ، هو إهمال التفصيلات المتعلقة بعمل الآلة ، والتركيز على النواحي الأساسية التي تتخلص في ما يأتي :

‏1) تدخل حرارة إلى الآلة الحرارية عند درجة حرارة مرتفعة نسبيا .

2) تحول الآلة قسما من هذه الحرارة إلى شغل .

3) تلفظ الآلة ما تبقى من الحرارة (طبعا التي لم تحول إلى شغل) إلى الخارج ، وذلك عند درجة حرارة منخفضة نسبيا . ويوضح ذلك المخطط التالي (الشكل 1) . وتمثل الآلة في هذا المخطط بالدائرة . اما الحرارة المدخلة في الآلة عند درجة الحرارة المرتفعة نسبيا وهي Q₂ ، فهي تمثل بالمقطع العرضي في أعلى الشكل ، في حين أن الحرارة الخارجية من الآلة عند درجة الحرارة المنخفضة نسبيا وهي Q₁ ، تمثل بالمقطع العرضي في أسفل الشكل . ويمثل المقطع المتجه نحو اليمين الشغل الذي تنجزه الآلة (W) .

الشكل (1)

لاحظ أن الآلة تتعامل فقط بالحرارة والشغل . واذا اعتبرنا (بهدف التبسيط) أن الآلة تعمل في دورة مغلقة فإن المادة^* الموجودة في الآلة تعود في نهاية الدورة إلى حالتها الأصلية . وبذلك فإن التغير في طاقتها الداخلية عبر الدورة بكاملها يساوي صفرا . ومن هنا فإن تطبيق قانون الديناميكا الحرارية الأول على هذه الحالة يقود إلى العلاقة الآتية :

…………(1)   W = Q₂ - Q₁

‏أي أن الشغل الذي تنجزه الالة الحرارية يساوي الفرق بين الحرارة المدخلة في الآلة (Q₂) الخارجة منها (Q₁) ، والسؤال الآن كيف نقدر فعالية الآلة الحرارية في إنجازها للشغل ؟

(أ).......

‏تعرف فعالية الآلة (E) ، بأنها النسبة بين الشغل الذي تنجزه الآلة (W) والحرارة المدخلة للآلة(Q₂)   .

أي أن :

(2)................

وبالاعتماد على العلاقة (أ) ، نحصل على :

 ………….(3)

_____________________

* تسمى هذه المادة (المادة الشغالة) ، وهي الماء في الآلة البخارية ، والغاز في الآلة الغازية .