У 1824 році французький інженер С.Карно вперше запропонував термодинамічний цикл ідеальної теплової машини, який неможливо здійснити в любій реальній машині і який складається з двох ізотерм і двох адіабат.
Зображення циклу Карно в PV i TS-координатах.
Ділянка 1-2—адіабатний процес розширення робочого тіла (робочий процес);
2-3—ізотермічне відведення теплоти q2 від системи до нижнього джерела теплоти;
3-4—адіабатний стиск робочого тіла;
4-1—ізотермічне підведення q1 від верхнього джерела теплоти до термодинамічної системи.
Термічний ККД може бути підрахований за наступними рівняннями:
Якщо врахувати рівняння 4-1; 2-3 ізотермічного процесу, то вираз для термічного ККД циклу Карно набуде вигляду:
де абсолютна температура теплоприйомника або нижнього джерела теплоти, К; абсолютна температура тепловіддавача або верхнього джерела теплоти, К.
З попереднього рівняння і розглянутого циклу можна зробити такі висновки:
1. Термічний ККД ідеального циклу Карно залежить лише від абсолютних значень температур T2 i T1. зростає із збільшенням і зменшенням .
2. Вся теплота q1 не може бути повністю перетворена у роботу.
3. Якщо T1=T2 , то . Отже, якщо всі тіла системи мають однакову температуру, то неможливе перетворення теплоти в роботу.
4. Теорема Карно. Термічний ККД не залежить від конструкції двигуна і фізичних властивостей робочого тіла, а залежить лише від значень T1 i T2.
Важливість ідеального циклу Карно полягає в тому, що для усіх циклів реальних теплових машин він вказує на верхню межу перетворення теплоти у роботу для заданого діапазону температур T1 і T2. Для холодильних машин, для порівняння, використовують обернений цикл Карно, перебіг якого відбувається проти годинникової стрілки, а процеси співпадають з прямим циклом Карно. Холодний коефіцієнт оберненого циклу Карно підраховується за формулою:
Ексерсія (технічна роботоздатність)—це максимальна робота, що здійснює робоче тіло, якщо в якості нижнього джерела теплоти приймають оточуюче середовище із своєю температурою.
Ексерсія підраховується за формулою із першого закону термодинаміки: