Chu trình Carnot

Chu trình Carnot là một chu trình nhiệt động lực học được nghiên cứu bởi Nicolas Léonard Sadi Carnot trong thập niên 1820 và Benoit Paul Émile Clapeyron vào khoảng thập niên 1830 và 1840. Các nghiên cứu này có động cơ là tìm kiếm một chu trình nhiệt động lực học có hiệu suất cao nhất, và chu trình Carnot đã được chứng minh là chu trình dành cho các động cơ nhiệt hay máy lạnh có hiệu năng tốt nhất. Đây cũng là nội dung của định lý Carnot.
Chu trình Carnot cũng là một chu trình thuận nghịch. Người ta cũng đã chứng minh rằng mọi chu trình nhiệt động lực học thuận nghịch đều là chu trình kết hợp của các chu trình Carnot nhỏ hơn.
Động cơ Carnot.
Động cơ Carnot là các động cơ nhiệt hoạt động theo chu trình Carnot. Một chu trình của động cơ Carnot trải qua các bước:
Sau khi kết thúc một chu trình, động cơ Carnot thực hiện nhiều công vào môi trường hơn là nhận công của môi trường; và thu nhận nhiều nhiệt lượng từ nguồn nhiệt độ cao hơn là nhả ra cho nguồn nhiệt độ thấp. Theo định luật bảo toàn năng lượng, tổng công cơ học động cơ sinh ra cho môi trường đúng bằng chênh lệch nhiệt lượng thu nhận và nhả ra với môi trường.
Máy lạnh Carnot.
Máy lạnh Carnot là một máy lạnh hoạt động với chu trình Carnot ngược. Nghĩa là chất khí trong máy lạnh trải qua các giai đoạn từ A đến D, C, B rồi về A trong biểu đồ trên.
Sau khi kết thúc một chu trình, máy lạnh Carnot thu nhận nhiều công của môi trường hơn là thực hiện vào môi trường; và nhả ra nhiều nhiệt lượng cho nguồn nhiệt độ cao hơn là nhận vào từ nguồn nhiệt độ thấp. Theo định luật bảo toàn năng lượng, tổng công cơ học mà môi trường thực hiện vào máy lạnh đúng bằng chênh lệch nhiệt lượng nhả ra và nhận vào với môi trường.
Hiệu suất.
Theo lý thuyết tổng quát về chu trình nhiệt động lực học, công thực hiện lên môi trường bởi một chu trình Carnot (hay nhận được từ môi trường bởi một chu trình Carnot ngược), "W", là diện tích nằm trong biểu đồ nhiệt độ - entropy.
Nhiệt năng trao đổi với nguồn nóng là diện tích nằm dưới được đẳng nhiệt ở nhiệt độ cao:
Nhiệt năng trao đổi với nguồn lạnh là diện tích nằm dưới được đẳng nhiệt ở nhiệt độ thấp:
Hiệu suất động cơ Carnot.
Hiệu suất "η" của động cơ nhiệt có thể được định nghĩa là tỷ số giữa công thực hiện bởi động cơ trên nhiệt tiêu tốn ở nguồn nóng:
Để có được nhiều công sinh ra cho cùng một nhiệt lượng tiêu thụ ở nguồn nóng, cần giảm tỷ số "T""C" trên "T""H", tức là làm gia tăng chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh.
Hiệu suất máy lạnh Carnot.
Hiệu suất "η" của máy lạnh có thể được định nghĩa là tỷ số giữa nhiệt lấy ra ở nguồn lạnh trên công cần thực hiện lên máy lạnh:
Để có được nhiều nhiệt lượng lấy ra từ nguồn lạnh cho cùng một công thực hiện lên máy, cần giảm tỷ số "T""H" trên "T""C", tức là làm giảm chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh.
Định lý Carnot.
Định lý Carnot phát biểu rằng: 
Người ta cũng chứng minh rằng:
và
Định lý Carnot cũng có thể coi là một hệ quả của định luật hai nhiệt động lực học. Mặc dù trên thực tế không thể chế tạo được các động cơ thực sự thuận nghịch, do các quá trình không thuận nghịch như ma sát, định lý Carnot vẫn giúp định hướng việc chế tạo động cơ có hiệu suất cao sao cho càng gần thuận nghịch càng tốt.