Scientia

De fiecare dată când inginerii încearcă proiectarea unui motor bazat pe căldură sau îmbunătăţirea unui model existent, se lovesc de o limită fundamentală a eficienţei: limita Carnot. Iată câteva detalii despre această limită şi despre descoperitorul ei.

Cu mult înainte de a fi descoperită natura căldurii, a fost determinată limita fundamentală a eficienţei motoarelor bazate pe căldură.

Limita Carnot „stabileşte limita superioară absolută a eficienţei cu care energia termică poate fi transformată în putere utilă”, spun Jane şi Otto Morningstar, profesori de Fizică la MIT (Massachusetts Institute of Technology) şi Robert Jaffe, care predă, în co-tutelă, un curs despre fizica energiei. În cazul în care inginerii se confruntă cu reproiectarea unui motor care este eficient în proporţie de 35%, este o mare diferenţă dacă maximul eficienţei posibile a unui astfel de motor este de 50% – caz în care există posibilitatea lipsei de fezabilitate a încercării de suprasolicitare – sau de 80%, caz în care există o limită semnificativă pentru perfecţionare.

Nicolas Léonard Sadi Carnot, care s-a născut în Franţa, în 1796 şi a trăit numai 36 de ani, a dedus această limită. Observaţiile lui privind natura căldurii şi limitările maşinilor care folosesc căldura au avut un impact care a dăinuit până în momentul actual. Ceea ce face ca realizările lui să fie remarcabile este faptul că natura căldurii nu a fost înţeleasă decât după mulţi ani de la moartea lui Carnot. La momentul cercetărilor lui, oamenii de ştiinţă încă apelau la mai târziu discreditata teorie „calorică” a căldurii, care susţinea că un fluid invizibil transferă căldura de la un obiect la altul.

Cartea lui Carnot din 1824, „Reflecţii asupra puterii motrice a focului” a introdus un set de principii care, în unele cazuri, sunt încă folosite în mare măsură. Unul dintre aceste principii este limita Carnot (cunoscută şi ca Eficienţa Carnot), calculată cu ajutorul unei ecuaţii simple: diferenţa de temperatură dintre fluidul de lucru cald – cum ar fi aburul dintr-o centrală electrică – şi temperatura lui de răcire la ieşirea din motor este împărţită la temperatura în grade Kelvin (anume gradele peste zero absolut) a fluidului cald. Această eficienţă teoretică este exprimată ca procentaj, către care se poate converge, dar niciodată atinge cu adevărat.

La momentul cercetărilor lui Carnot, cele mai bune motoare cu aburi din lume aveau o eficienţă totală de doar 3 procente. Astăzi, motoarele cu abur convenţionale pot atinge eficienţe de până la 25%, iar generatoarele cu abur cu turbină, bazate pe alimentarea cu combustibil, din centralele electrice pot atinge eficienţe de până la 40% sau chiar mai mari – comparativ cu o limită Carnot  în funcţie de diferenţele de temperatură exacte din asemenea centrale, aproximativ 51%. Motoarele de maşină actuale au eficienţe cuprinse între 20% sau mai puţin, comparativ cu limita lor Carnot de 37%.

Din moment ce limita eficienţei se bazează pe diferenţa de temperatură dintre sursa de căldură şi orice este utilizat pentru răcirea sistemului – de obicei aerul din exterior sau o sursă de apă – este clar că odată cu mărirea temperaturii sursei de căldură, eficienţa posibilă va creşte şi ea. Astfel, de exemplu, Jaffe explică: „un reactor nuclear de generaţia 4 care încălzeşte aburul până la 1200 grade Celsius utilizează o cantitate dată de energie mult mai eficient decât o sursă de energie geotermală care încălzeşte aburul la 120 grade Celsius”.

Articolul reprezintă traducerea articolului Explained: The Carnot Limit, publicat pe site-ul web.mit.edu.
Traducere: Ştefan Ciprian Arseni