PAYLAŞ

Nicolas Leonard Sadi Carnot ( 1796 – 1832 ) Kimdir? Hayatı, Çalışma Alanları ve Eserleri Nelerdir?

İdeal bir ısı makinesinin çalışma prensibini inceledi. ‘Isı hareketi’ olarak da bilinen ve ısı ile diğer enerji şekilleri arasındaki bağıntıları inceleyen termodinamiğin temellerini attı. Yaşamı oldukça kısa sürdü ama bu onun, bilim dünyasına kendi damgasını vurmasına engel olamadı. Fransız fizikçinin, 36 yıllık yaşamında bilim dünyasına bıraktığı en büyük mirası, bugün adıyla anılan ‘Carnot Makinesi’ veya ‘Carnot Çevrimi’ (Carnot Cycle) oldu.

Nicolas Leonard Sadi Carnot, 1 Haziran 1796’da Paris’te soylu bir Fransız ailesinin ilk oğlu olarak dünyaya geldi. Fransız ordusunda etkili bir asker ve geometrici olan babası Lazare Nicholas Marguerite Carnot, 1887-1894 yılları arasında Fransa Cumhuriyeti Cumhurbaşkanı olan Marie François Sadi Carnot’un amcasıydı.

16 yaşına geldiğinde dönemin bilim alanında seçkin eğitim kurumlarından olan Ecole Polytechnique’e girdi. Claude-Louis Navier ve Gaspard-Gustave Coriolis gibi çağdaşları ile birlikte Joseph Louis Gay-Lussac, Siméon Denis Poisson ve André-Marie Ampère gibi ünlü profesörlerden ders aldı.

Daha önce matematik, fizik, yabancı diller ve müzik konularında almış olduğu iyi eğitime Ecole Polytechnique’de bulunduğu 1812–14 yılları arasında analiz, mekanik, tasarı geometri, kimya gibi dersleri ekledi. Okulda askeri mühendis olarak yetiştirilmesine rağmen, buhar makinelerinde ısı enerjisinin harekete dönüştürülmesi daha çok ilgisini çekiyordu. O alan üzerine yoğunlaşmayı tercih edecekti. 1814’te sınıfının altıncısı olarak mezun oldu ve Metz’de bulunan Ecole de Genie adlı askerî okula, iki yıl sürecek askeri mühendislik eğitimi için gönderildi. Mezun olduktan sonra Fransız ordusunda subaylık yapmaya başladı. Orduda göreve başladığı 1814 yılının Mart ayında Paris kuşatmasında Vincennes çatışmasının içinde yer aldı. Metz’de bulunduğu sırada babası, I. Napolyon tarafından İçişleri Bakanlığına atandı; ancak sadece 100 gün süren II. İkinci Napolyon Dönemi’nde değişken Fransız siyasetinin kurbanı oldu ve Ekim 1815’te başlayan ‘Restorasyon Dönemi’ ile birlikte Almanya’ya sürgüne gönderildi. Bir daha da asla dönmedi. Artık hayatında askerliğe yer yoktu. Ölüm kusan makineleri bir kenara bırakıp, buhar kusanlarla ilgilenmeye başladı.

Bilim dünyasına yapacağı en büyük katkısı olan ‘Carnot Çevirimi’ üzerindeki araştırmalarına 1820’lerde başlamıştı. 1823’te buharın yaptığı mekanik işi veren bir formülü anlattığı yirmi bir sayfalık bir makale yayınladı. Bir süre sonra, 1824’te ‘Isının Hareket Ettirici Gücü Üstüne Düşünceler’ (Réflexions sur la puissance motrice du feu) adlı kitabını geldi. Kitap, birkaç araştırma notu, buhar makinesinin mucidi İskoç James Watt’a ait iki bilimsel makalenin çevirisi ve çeşitli matematik ve fizik derslerine ait notlardan oluşuyordu. Carnot, bu kitabında hareket enerjisine dönüşen ısı gücünün ve buhar makinelerinde gerçekleştirilecek gelişmelerin sınırsız olup olmadığını, sonsuza dek yapılıp yapılamayacağını ortaya koydu. Ancak bu çalışması, tezini ‘kalori kuramına’ dayandırdığı için ölümünden iki yıl sonrasına, Augistin Fresnel’in ‘ışığın titreşim kuramı’ ile radyasyon yoluyla yayılan ısının ışığa olan benzerliğini göstereceği 1834’e kadar dikkat çekmedi. Fresnel, bazı eş ısılı olayları ‘kalori kavramı’ ile açıklayamayınca Carnot’u inceledi. Frensel, sürtünmenin oluşturduğu ısının katı ve sıvılardaki etkilerini inceleyerek ısının bir çeşit hareket enerjisi olduğunu temel alan ‘kinetik teori’sini belirleyince, Carnot’un çalışmalarının değeri de anlaşılmış oldu.

Carnot Çevrimi termodinamiğin ufkunu genişletti

Fransa’da ve kıta Avrupa’sında Carnot zamanında yaygınlaşmaya başlayan buhar makineleri, her ne kadar kısa bir sürede yaygınlaşsa da, çalışma prensibi tam olarak anlaşılmamıştı. Verimleri düşük olan buhar makineleri, ısı enerjisinin yüzde 10’undan fazlasını işe dönüştüremiyordu. Buna bir çözü yolu bulunmalıydı. Carnot, daha önce Watt tarafından icat edilmiş olan buhar makinesinin verimini arttırmaya yönelik çalışmalarına 1824’te başladı. Buhar makinelerinde su buharı yerine cıva buharı kullanılmasının verimi artıracağını düşünüyordu. Çalışmaları sonunda, verimin makinede iş gören maddeye bağımlı olmadığını fark etti. Elde ettiği bulgulara göre makinenin verimi, çalışmakta olduğu iki sınır sıcaklığa; dış vasatın ve buharın sıcaklığına bağlıydı. Carnot’un, ilk ve tek kitabında bahsettiği ‘buhar makinelerinin yaptığı iş ile sıcaklıkları arasında bir ilişki olduğu’ kuramı, ileride enerjinin asla yok olmadığını ve sadece bir türden ötekine dönüştüğünü öngören termodinamik yasasının temelini oluşturacaktı.

Bir makinenin veriminin, ısı kaynağı arasındaki sıcaklık farkına bağlı olduğunu keşfeden Carnot, kazan ve kondansatörün buhar makinesinin temel öğeleri olduğunu ve sıcaklık farkı olmaksızın buhar makinesinin çalışmasının imkânsız olduğunu belirledi. Makinenin verimini (işi) artıran üçüncü etkenin ise ısıyı iletecek bir akışkan olduğunu ortaya koydu. Bu akışkan, buhar makinesinde su buharına tekabül ediyordu.

Carnot, ısınan buharın yinelenebilir bir çevrim oluşturduğu bir makine/çevrim tasarladı. Tasarımında ısınan buhar bir pistonu itiyor, yoğunlaşınca da piston geri dönüyordu. Ancak bu çevirimin, enerjinin bir bölümü her zaman sürtünme yoluyla yitirildiği için, uygulamada gerçekleşmesi mümkün değildi. Bu açıdan Carnot Makinesi aslında bir kurgu ve sadece soyut boyutta kalmış bir modeldi. Bu makine modeli ile özdeş çevrime göre çalışan bir ısı makinesi, yüksek sıcaklıkta aldığı ısıl enerjiyi en yüksek verimle işe dönüştürüyordu. Bu çevrimde kaybı ‘0’, verim ise ‘1’ şeklinde formüle etti.

Carnot’un teorisine göre her termodinamik sistem özel bir durum içinde var olmaktaydı. Bir ısı makinesi, enerjinin sıcak bölgeden soğuk bölgeye transfer edilmesini sağlıyor, bu süreç içerisinde enerjinin bir kısmı mekanik enerjiye (iş) dönüşüyordu. Bu süreç aynı zamanda tersinden de gerçekleşebilir bir özelliğe sahipti. Carnot, eğer sistem bir dış kuvvet ile çalıştırılabilir ve bu süreç içinde soğuk sistemden sıcak sisteme ısı transfer edilirse, bir ısı makinesinden çok bir soğutucu olarak da faydalanılabileceğini ortaya koydu. Böylece Carnot’un çalışmalarıyla termodinamiğin ikinci kanunu olarak da bilinen “Isı, sıcak bir yerden daha soğuk bir yere doğru kendiliğinden akar. Akan ısı miktarının bir kısmını işe çevirme imkânı mevcuttur.” kuramı şekillenmiş oluyordu.

Carnot tarafından 1820’lerde ortaya konan bu çevrim, Emile Clapeyron tarafından 1830 ve 1840’lı yıllarda geliştirildi. Clausius ve Kelvin gibi başka bilim adamları, Carnot’un çalışmalarını daha sonra geliştirmişlerse de, buhar makinelerinde yaşanan sürecin en net şekilde çözümleyen yine Carnot olmuştu.

Carnot çevrimi, termodinamiğin ikinci yasasının temelini oluşturmakla kalmamış; aynı zamanda Lord Kelvin’ in termodinamik sıcaklık ölçeğinin ve Clausius’un entropi tanımının da yolunu açmıştı. Otto ve Diesel çevrimleri (motorları) Carnot çevriminden faydalanılarak oluşturuldu. Carnot’ un kaleme aldığı tek kitap olan ‘Isının Hareket Ettirici Gücü Üstüne Düşünceler’, bugün hala termodinamik alanında çalışan bilim insanlarına başucu eserlerinden biridir.

 

BİR CEVAP BIRAK

Please enter your comment!
Please enter your name here