حدود القوة أو الانعكاسات على القوة الدافعة للنار

في عام 1815، بعد الهزيمة النهائية لنابليون بونابرت في معركة واترلو، تم نقل ضابط شاب في الجيش الفرنسي إلى منصب خلفي في باريس براتب مخفض بشكل كبير. وكانت خطيئة الضابط الشاب سادي كارنو أن والده لازاروس كارنو كان وزيرا لداخلية نابليون خلال «المائة يوم»، وقبل ذلك كان وزيرا للحرب. كان الأب والابن - بالإضافة إلى كونهما ضباطًا بالجيش - عالمين في الرياضيات ومهندسين.

في تلك الأيام، أعطت المحركات البخارية الفعالة إنجلترا ميزة واضحة على فرنسا والدول الأوروبية الأخرى. سادي كارنو، على الرغم من الضرر الذي لحق بمكانته، بحث عن طرق لإفادة وطنه. لقد فكر بشكل أساسي في طرق إنتاج محركات بخارية أكثر كفاءة من تلك الموجودة في اللغة الإنجليزية. وبعد تسع سنوات من البحث المستقل، توصل إلى استنتاجات معينة، لكنه لم يتمكن من نشر مقال في أي مجلة علمية. وفي خيبة أمله الكبيرة، في عام 1824، أنتج ونشر، على نفقته الخاصة، كتابًا بعنوان "تأملات في القوة الدافعة للنار".

قادت هذه "التأملات" كيرنو إلى استنتاجات حادة للغاية فيما يتعلق بالطرق الفعالة لتحويل الحرارة إلى عمل، وكذلك فيما يتعلق بحدود الطاقة، أي فيما يتعلق بأقصى قدر من العمل الذي يمكن إنتاجه من حرارة معينة (منفعة). وإليك المفسد: اليوم، بعد مرور 194 عامًا على اضطرار كارنو إلى نشر النتائج التي توصل إليها على نفقته الخاصة، اتضح أن المبادئ والحدود التي وضعها لا تزال صحيحة وصالحة، والأكثر من ذلك، أنها صالحة أيضًا في مجالات نظرية الكم. تم بناء محرك كارنو الحراري، من حيث المبدأ، مما يمكن وصفه بأنه "حمام" حراري، وحمام بارد، و"سائل تشغيل" (والذي قد يكون، على سبيل المثال، رذاذ من الوقود المحترق)، ومكبس يوصل الطاقة خارجا.

بعد 20 عاما من نشر "تأملات" كارنو، تم فحصها من قبل ضابط شاب آخر، رودولف كلوسيوس، الذي كان قائد سرية سلاح الفرسان في الجيش البروسي. وفي الوقت نفسه، قام بذلك أيضًا الإنجليزي ويليام طومسون، الذي أصبح يُعرف فيما بعد باسم "اللورد كلفن". اكتشفوا أن الحد الأعلى للبقاء الذي وضعه كارنو ممكن من الناحية النظرية فقط، في عالم "متجمد"، لا يحدث فيه شيء؛ أو بمعنى آخر أن الإنتروبيا فيه تبقى ثابتة. الإنتروبيا هي عدد الحالات التي يمكن أن توجد في أي نظام مغلق. ويمكن وصفها أيضًا بأنها "درجة الاضطراب" في النظام. استخدم كلوزيوس واللورد كلفن وصف كارنو للمحرك الحراري، وحدود كفاءته، لصياغة القانون الثاني للديناميكا الحرارية: الإنتروبيا (درجة الفوضى في نظام مغلق) لا يمكن إلا أن تزداد. وهذا القانون لا يبشر بالخير للعالم، لكن حتى الآن كل المحاولات لإيجاد سبل لكسره تحطمت على صخور الواقع. وهكذا اتفق الجميع على أن حد المنفعة (النظري) لكارنو هو الحد الأعلى، ولا سبيل إلى تجاوزه والوصول إلى منفعة أكبر.

مرت بضعة عقود أخرى حتى أظهر جون فون نيومان أن قوانين الديناميكا الحرارية صالحة أيضًا في مجال نظرية الكم. لكن في عام 2003، تحدت مارلين سكالي هذا الإجماع. كان يعتمد على "الوقود الكمي" - الذرات التي يتم فيها التحكم في مستويات الطاقة (المدارات) للإلكترونات حول النواة من خلال التغييرات في مظهر شعاع ضوء الليزر الذي يأتي من مصدر خارجي. بهذه الطريقة، قام سكالي برفع درجة حرارة الحمام الساخن في المحرك الحراري إلى ما هو أبعد من درجة الحرارة التي يمكن الوصول إليها في النظام العادي. وزيادة الفرق الحراري بين الحمام الساخن والبارد يزيد من كفاءة هذا النظام بما يتجاوز حد كارنوت للكفاءة.

واقترح علماء آخرون، ومن بينهم الألماني إريك لوتز، رفع درجة حرارة الحمام الساخن عن طريق ضغط النظام الكمي، مما أدى إلى نتيجة تجاوز حد كارنو للكفاءة. لكن هذا النظام المقترح لم يعد "محركًا حراريًا"، لأن جزءًا من قوته كان بسبب الشغل (الضغط) القادم من الخارج. وبعبارة أخرى، فإن نظام لوتز الكمي هو نوع من "الآلة الهجينة"، التي تأتي قوتها من الاستثمار المشترك للحرارة والشغل.

هنا، بشكل أو بآخر، البروفيسور غيرشون كوريتسكي وأعضاء مجموعته، باحثو ما بعد الدكتوراه الدكتور فولفغانغ نيدانزو، والدكتور فيكتور موخيرجي، والدكتور أرناب غوش من قسم الفيزياء الكيميائية في معهد وايزمان، الذين عملوا بالتعاون مع البروفيسور لويس دافيدوفيتش من البرازيل. وأظهروا أن ضغط مكبس الآلة الكمومية (وليس الحمام الساخن) قد يؤدي إلى زيادة كبيرة في قوة الآلة. ولكن حتى هذه الزيادة لا تزال تنتهي إلى ما دون حد المنفعة النظرية لكارنو. ويرجع ذلك، من بين أمور أخرى، إلى أنهم حسبوا وطرحوا من الطاقة المستقبلة "تكلفة" العمل الذي يجب استثماره في تحسين أداء الآلة الكمومية (وهو تخفيض لم يتم تنفيذه في حسابات لوتز وسكالي).

وها هي، بعد 194 عاماً، لا تزال حسابات العالم الذي لم تقبل مقالته في أي مجلة علمية صالحة. يبدو أن كارنو نفسه لم يتخيل أن النتائج التي توصل إليها ستكون ذات أهمية كبيرة. وبعد أربع سنوات من نشر النتائج التي توصل إليها، وبعد إجباره على ترك خدمته العسكرية، دون معاش تقاعدي، تم إدخاله إلى مستشفى مغلق للمرضى العقليين. هناك، عندما كان عمره 36 عاما، أصيب بالكوليرا وتوفي.

#أرقام_علمية

وقد يؤدي إثراء الوقود الكمي إلى زيادة كفاءة محرك كارنو الحراري من 10% إلى 90%.