Французский инженер Сади Карно в 1824 г. предложил цикл идеального теплового двигателя, который служит эталоном для оценки совершенства идеальных циклов, так как он имеет максимальное значение термического коэффициента полезного действия (КПД) в системе, имеющей два изотермических источника теплоты.

Прямой цикл Карно

Прямой цикл Карно можно представить следующим образом. Существует два источника теплоты с более высокой температурой (Т₁) и источник с более низкой температурой (Т₂), причем Т₁ = const и Т₂ = const, так как предполагается, что источники теплоты обладают большим количеством энергии, и поэтому некоторое количество подведенной или отведенной теплоты не изменяет их температуры. Рассмотрим процессы прямого цикла Карно для 1 кг идеального газа в pv-диаграмме (рис. 9.3).

Рис. 9.3. Прямой цикл Карно

Предположим, что в цилиндре под поршнем находится 1 кг идеального газа с параметрами p₁, v₁, T₁ (точка 1). В этом состоянии к рабочему телу подводится от источника с более высокой температурой некоторое количество теплоты q₁, в результате чего осуществляется процесс изотермического расширения. В точке 2 рабочее тело имеет параметры p₂, v₂, T₁. В этой точке рабочее тело изолируется от источника теплоты. Поэтому дальнейшее расширение протекает адиабатно. В конце адиабатного расширения (точка 3) рабочее тело имеет параметры p₃, v₃, T₂.

Затем рабочее тело начинает сжиматься при взаимодействии с источником с более низкой температурой, от него отводится теплота q₂. Происходит изотермическое сжатие по линии 3–4. В точке 4 рабочее тело опять изолируется от источника теплоты, и дальнейшее сжатие и возвращение рабочего тела в первоначальное состояние идет по адиабате 4–1 с повышением температуры. Цикл замыкается.

Найдем термический КПД цикла Карно. Поскольку процессы 1–2 и 3–4 изотермические, то можно записать:

,

следовательно:

.

Для адиабатных процессов 2–3 и 4–1 справедливы следующие уравнения:

   и         .

Сравнивая эти два уравнения, получим:

или

.

Окончательно получим:

.

Обратный цикл Карно

Из точки 1 (рис. 9.4) рабочее тело с параметрами p₁, v₁, T₁ адиабатно расширяется до состояния 2 и соединяется с источником низкой температуры. Дальнейшее расширение (2–3) идет с подводом теплоты q₂ к рабочему телу. Протекает процесс изотермического расширения. В точке 3 рабочее тело вновь изолируется от источника теплоты и в процессе 3–4 адиабатно сжимается с повышением температуры от Т₂ до Т₁.

В точке 4 рабочее тело соединяется с источником высокой температуры, и дальнейшее сжатие происходит по изотерме 4–1 с отводом теплоты q₁ к высокотемпературному источнику. Рабочее тело возвращается в свое первоначальное состояние и цикл замыкается.

Рис. 9.4. Обратный цикл Карно

Холодильный коэффициент обратного цикла Карно определяется следующим образом:

.