В 1824 году французский инженер Сади Карно предложил цикл, дающий максимальное значение термического КПД. Он состоит из двух обратимых изотермических и двух обратимых адиабатных процессов.
Изотермический и адиабатный процессы являются самыми выгодными процессами в смысле получения работы, т.к. в изотермическом процессе вся теплота, подводимая к рабочему телу, превращается в работу, а адиабатный процесс протекает без теплообмена.
Процесс 1–2 представляет процесс изотермического расширения рабочего тела с подводом теплоты q1 от источника теплоты с температурой Т1. Количество теплоты q1, равное работе l1-2, полученной в процессе 1–2, определяется по формуле
Процесс 2–3 является процессом адиабатического расширения, следовательно, в нем не происходит обмена теплотой с окружающей средой (другими словами теплота рабочим телом не теряется).
В процессе 3–4 происходит изотермическое сжатие рабочего тела с отводом теплоты q2 к низшему источнику теплоты с температурой T2. На сжатие затрачивается работа l3-4 (причем это работа минимальная), численно равная количеству отведенной теплоты q2 и определяемая по формуле
.
В процессе адиабатного сжатия 4–1 газ нагревается до температуры Т1. При этом потерь теплоты рабочим телом не происходит.
Коэффициент полезного действия любого цикла тепловой машины (в том числе и цикла Карно) определяют по формуле
.
.
Для адиабатных процессов 4-1 и 2-3 соотношение параметров в процессе:
процесс 4-1 - ;
процесс 2-3 - .
Следовательно
или .
Тогда термический КПД цикла Карно
.
Анализируя формулу КПД, можно сделать еще один важный вывод – коэффициент полезного действия Цикла Карно зависит лишь от температур верхнего и нижнего источников теплоты и, следовательно, не зависит от рода рабочего тела. Это утверждение является содержанием теоремы Карно.
Прямые циклы используются в тепловых двигателях. В обратном цикле все процессы совершаются в противоположном направлении, при этом от холодного источника с температурой отнимается теплота , на что затрачивается работа , которая превращается в теплоту и вместе с отнятой от холодного тела теплотой передается в количестве горячему источнику с температурой . Обратные циклы используются в холодильных установках. Эффективность холодильной установки определяется холодильным коэффициентом, представляющим собой отношение количества теплоты, отнятой за цикл от охлаждаемого объекта, к затраченной в цикле работе:
(4.6)
Для цикла Карно холодильный коэффициент составляет:
(4.7)