物理学では、熱エンジンを、2 つの熱源と連携して熱を機械エネルギーに変換できる、つまり熱を仕事に変換できるデバイスとして定義します。
熱機械の構築後、そのような機械は完全に機能すると考えられていました。つまり、熱機関はすべての熱エネルギーを仕事に変換すると信じられていました。言い換えれば、熱機関の効率は 100% であると考えられていました。
エンジニアのサディ・カルノーは、当時、いくつかの実験デモンストレーションを通じて、100% の効率を得るのは不可能であることを証明できた人でした。カルノーは、今日カルノー サイクルとして知られる特定のサイクルを通じて機能する理想的な熱機関を提案しました。
サディ・カルノーは、熱機関の性能は低温源と高温源を形成する物体の温度にのみ依存すると述べた。したがって、サディ・カルノーは最大のパフォーマンスのサイクルを提示しました。カルノー サイクルは、それを構成する物質に関係なく、次の 4 つの段階で構成されます。
– 可逆的な等温膨張
– 可逆的な断熱膨張
– 可逆的な等温圧縮
– 可逆断熱圧縮
以下の図は、4 つのカルノー サイクルを表しています。
最初のサイクルでは可逆的な等温膨張が起こり、システムは高温源 (A から B へのプロセス) から一定量の熱 (Q 1 ) を受け取ります。 2 番目のサイクルでは、高温源と低温源の間で熱交換が行われない可逆的な断熱膨張が発生します (B から C へのプロセス)。 C から D へのプロセスでは、可逆的な等温圧縮が発生します。このプロセスでは、システムは熱量 (Q 2 ) を低温源に放出し、最終的に D から A へのプロセスが起こります。これは可逆的な断熱圧縮で構成されます。つまり、この場合は熱交換はありません。熱源（熱源と冷熱源）の間。
したがって、カルノー エンジンでは、高温源から除去される熱量と低温源に与えられる熱量は温度に比例すると結論付けることができます。
したがって、カルノー エンジンの効率は次のように言えます。
ここで、 T 2 は低温源の温度、T 1 は高温源の温度です。
これにより、カルノー熱機関であっても 100% の効率を得ることは不可能であることがわかります。