كان الفرنسي دنيس بابان D. Papin (1647-نحو 1712م) أول من كثف الماء ورفع ثقلا بالعمل؛ فقد امتلك بابان أنبوبًا طويلًا من النحاس الأصفر قطره 5 سم. بعض الماء في الأسفل جرى تبخيره، وتمكن من رفع المكبس piston، ⁴³ كان مثبتًا بقطعةٍ منزلقة bolt. بعدئذ أخذ الأنبوب من النار، تكثف البخار وتكون خواء تورشيلي Torricelli Vacuum في الداخل؛ أي يُصبح الضغط المنخفض مساويًا لضغط البخار المناسب لدرجة الحرارة الباقية.  

قدر ضغط خاصة بملك بريطانيا تشارلز الثاني، صنعه بابان، حيث ركّز فيه على حماية ووقاية الملك إذا أراد استخدامه بشكل شخصي؛ فالغطاء (إلى اليسار) مثقل ومحكم الإطباق على القدر، كما أحاط القدر بحاجز معدني للوقاية لدى حدوث أي انفجار. (مصدر الصورة والتعليق: يمين، يوسف، المادة والذرة، ط 1، مكتبة السائح، طرابلس ،(لبنان)، 1989م، ص128-129.)

عندما نزعت القطعة المنزلقة ضغط الهواء دفع المكبس نزولا، وهكذا كان قادرًا على رفع وزن ستة باوندات ( = 6.72 كغ). وبكلمات أقل نصف الطريقة التي تعمل بها القدرة المحرّكة للبخار: خلق خواء أو فراغ من خلال التكاثف. عرف بابان خواص البخار المُشَبَّع جيدًا، والنتيجة أنه عرف أيضًا أن الماء تحت ضغوط فوق 1 ضغط جوي يغلي عند درجة حرارة أعلى من 100° مئوية. لقد أفاد من هذه التجربة في صنع قدْرِ تعمل بضغط البخار.

تصميم لمحرك بابان البخاري يعود لعام 1702م، (مصدر الصورة: en.wikipedia.org/wiki/Denis Papin) لكنه لم يُنفّذ عمليًّا.

في وعاءٍ مُغلَق يُمكن لبعض اللحم القاسي أن يسخن في الماء؛ فالبخار المتراكم يرفع الضغط وبالتالي نقطة غليان الماء، بالنتيجة فإنَّ اللحم يجد نفسه مغمورًا في ماء ساخن حتى 150° مئوية (مثلا). وهكذا يُصبح مطبوخًا على نحو وافٍ في زمن قصير. دعي بابان ليشرح عن الوعاء الذي يستعمله في المعالجة الحرارية للجمعية الملكية في لندن وقد طبخ وجبة طعام رائعة للملك تشارلز الثاني. من ناحية ثانية، فإن أنبوب بابان المصنوع من النحاس الأصفر لم يكن محركًا بخاريًّا بعد؛ فهو يقوم بحركة واحدة في كل مرة. المحرّكات البخارية الحقيقية طورت فيما بعد عندما نشأت حاجة ملحة في إنكلترا في باكورة القرن الثامن عشر، كانت إنكلترا تعاني من نوع من أزمة الطاقة؛ قُطعت أشجار البلاد ولم يبق من الأشجار التي كانت تحتاج إليها القوات البحرية ولا يمكن استعمالها للوقود، وفي الوقت نفسه فإنَّ إنتاج مناجم الفحم كان في هبوط، وهدد بالانقطاع تمامًا بسبب صعوبات التصريف عند العمق حيث وصلت المناجم. زوّد الوضع بحافز قوي للمخترعين، وهكذا أتى المحرّك البخاري في وقته تماما. ⁴⁴

وقد كشفت الرسائل التي جرت بين دنيس بابان وغوتفريد ليبنتز والتي نشرها جيرلان، أن ليبنتز أعطى الفكرة الجوهرية لاستعمال الأسطوانة والمكبس في المحرك البخاري الأول. ⁴⁵ كما أنَّ بابان استفاد من تصميم توماس سيفري للمضخة البخارية. وكان من بابان – بالاشتراك مع بويل – أن قام بدراسة خصائص بخار الماء. وقد سبق لبابان أن اكتشف خاصية الماء المغلي عند الضغط العالي بدرجة غليان قريبة من °210 مئوية، وهي التي استفاد منها في اختراع قدره في الضغط، ثم فكر بأن يستفيد منها مرةً أخرى من أجل حركة المكبس في أسطوانة آلة البارود ⁴⁶ البخارية، بحيث يكثّف بخار الماء.⁴⁷

ظهرت مقالة بابان (طريقة جديدة للحصول على قوى دافعة كبيرة بثمن زهيد) في عام 1690م، والتي عرض فيها فكرة آلته البخارية الجديدة، وقد قال: «اسكب في الأسطوانة قليلًا من الماء، وأنزل فيها المكبس إلى سطح الماء نفسه، وأخرج الهواء المحبوس تحت المكبس من خلال فتحة حنفية خاصة، عندئذٍ وبتأثير النَّار الموقدة تحت الأسطوانة، يبدأ الماء بالغليان والتحول إلى بخار، يُنتج ضغطًا على المكبس ويرفعه، متغلبًا على الضغط الجوي. في هذا الوقت يُوقف المسند الداخل في التجويف، والمصنوع على قضيب المكبس في الأعلى، وبعد ذلك تُبعد النار، ويُنشئ البخار المتكثّف خلال تبريده فراغا في الأسطوانة الآلة الآن في حالة تسمح لها بإنتاج عمل ميكانيكي؛ لأنه بنزع المسند سيهبط المكبس بقوة مساوية للضغط الجوي، وسيستطيع التغلب على المقاومة بقوة مساوية للضغط الجوي، وسيستطيع التغلب على المقاومة بمساعدة حبل وبكرات.» للأسف لم يكن لهذا المشروع قيمة عملية، وكان عُرضةً للانتقاد، كان أحد هؤلاء النقاد الفيزيائي روبرت هوك، الذي أشار إلى أن حركة المكبس بطيئة، كما أن ضرورة تحريك النار تحت الأسطوانة جعلت الآلة مستحيلة التحقيق.⁴⁸

هوامش

43- المكبس هو قرص أو أسطوانةٌ قصيرة يُفسح لها بدقة مكان داخل أنبوب تتحرك فيه إلى فوق وإلى تحت مقابل سائل أو غاز، تُستعمل في محرك الاحتراق الداخلي لتستمد الحركة، أو في مضخة لتمنح حركة.

44-Müller, Ingo, A History of Thermodynamics, p. 47-48.

45- جارودي، روجيه، النظرية المادية في المعرفة تعريب إبراهيم ،قريط دار دمشق، (د.ت)، ص81.

46- هكذا كان يُسمي الآلة التي عمل عليها عندما كان عند هويغنز، حيث كان يستخدم البارود المتفجر في أسطوانة المكبس لإحداث خلاء جزئي..

47- كارتسيف، فلاديمير وخازانوفسكي، بيوتر، آلاف السنين من الطاقة، ص70.

48- كارتسيف، فلاديمير وخازانوفسكي، بيوتر، آلاف السنين من الطاقة، ص70-71.

مواضيع ذات صلة

الديناميكا الحرارية الجزيئية

توزيع بولتزمان

العلاقات بين الخواص

القانون الثالث للديناميكا الحرارية

الطاقة الحرة

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

القانون الأول للديناميكا الحرارية

Order and entropy

Irreversibility

The Clausius-Clapeyron equation

Internal energy

Entropy