Klasickým kruhovým dějem v ideálním plynu je Carnotův cyklus, jehož děj se skládá z izotermické a adiabatické expanze a z izotermické a adiabatické komprese.
Předpokládejme, že ideální plyn má látkového množství n a prochází 4 stavy (návazně 1, 2, 3, 4). Každý stav plynu je určen příslušnými stavovými veličinami (tlak, objem, teplota).
Stav 1: izotermická expanze (na počátku děje tlak p1, objem V1, teplota T1). Plyn se rozpíná na úkor dodaného tepla Q1 (v důsledku ohřevu vnějším ohřívačem) a vykonává tak práci W12, tj. – W12 = +Q1. Při ději dojde ke změně stavových veličin, tj. p1 > p2 , V1< V2.
Stav 2: adiabatická expanze (na počátku děje tlak p2, objem V2, teplota T2 = T1). Teplota plynu se mění, ale nedochází k výměně tepla s okolím. Práce plynu W23 je vykonána na úkor vnitřní energie plynu, tj. sníží se teplota plynu. Při ději dojde ke změně stavových veličin, tj. p2 > p3, V2<V3, T1>T3.
Stav 3: izotermická komprese (na počátku děje tlak p3, objem V3, teplota T3). Stlačováním plynu je konána práce W34, která se odevzdává ve formě tepla, tj. –Q3=+W34. Při ději dojde ke změně stavových veličin, tj. p3 < p4, V3>V4, T3<T1.
Stav 4: adiabatická komprese (na počátku děje tlak p4, objem V4, teplota T4 = T3). Stlačováním dokonale tepelně izolovaného plynu nedochází k výměně tepla s okolím, práce W41, kterou dodáme plynu, je spotřebována na zvýšení vnitřní energie plynu, tj. teplota plynu se zvýší. Protože jde o uzavřený cyklus, je na konci této fáze cyklu stav plynu určen stavovými veličinami p1, V1, T1.
Práce vykonaná soustavou při Carnotově cyklu je rovna rozdílu tepla přijatého a tepla odevzdaného (v grafu je plocha ohraničena křivkami rovna práci, kterou stroj vykonal při jednom cyklu).
Carnotův cyklus reprezentuje ideální tepelný stroj, v němž je část tepla dodaného ohřívačem přeměněna na mechanickou práci a část tepla je vždy odevzdaná chladiči. Při zpětném chodu Carnotova cyklu jde o ideální chladicí stroj, který teplo odnímá chladnější lázni a přenáší jej na teplejší lázeň (práci je třeba stroji dodat zvenčí).
Je třeba zdůraznit, že Carnotův kruhový děj je teoretickým dějem (skutečné tepelné stroje podle něj nepracují).
Účinnost Carnotova cyklu je horní hranicí účinnosti tepelného stroje při teplotě T1 ohřívače a teplotě T2 chladiče. Účinnost nezávisí na materiálu plynu, závisí pouze na poměru teplot chladiče a ohřívače. Carnotův cyklus označuje vratný kruhový děj ideálního tepelného stroje. Účinnost libovolného nevratného cyklu je vždy menší než účinnost vratného cyklu. Maximální účinnost obdržíme, pokud teplo odebrané ohřívači je maximální a odevzdané chladiči je minimální. Vhodnou technickou verzí je vysoká teplota ohřívače a nízká teplota chladiče, přesto však účinnost tepelného stroje, který pracuje bez mechanických ztrát, nemůže být nikdy stoprocentní (funkční perpentuum mobile neexistuje).
Carnotův cyklus |