Il ciclo termico di Carnot, più propriamente chiamato ciclo di Carnot, è un ciclo termodinamico idealizzato che viene utilizzato per determinare la massima efficienza possibile per un motore termico operante tra due date temperature. Viene utilizzato per scopi teorici, ma non può effettivamente operare in sistemi fisici. Sebbene, in teoria, un motore possa essere costruito operando vicino alla massima efficienza, il trasferimento di calore nel ciclo è troppo lento per essere un sistema pratico. Il valore principale del ciclo di Carnot risiede nello stabilire la massima efficienza per altri tipi di motori termici.
Nella costruzione del ciclo termico di Carnot vengono fatte due ipotesi, per dargli la massima efficienza possibile: tutti i processi sono reversibili e non vi è alcun cambiamento nell’entropia. Un processo reversibile è quello che può essere riportato al suo stato originale senza perdita di energia. L’entropia è la quantità di energia in un sistema che non è disponibile per fare lavoro. Secondo la seconda legge della termodinamica, la quantità di entropia in un sistema deve aumentare o rimanere la stessa quando si verifica un processo. Nessuna di queste ipotesi può essere soddisfatta in condizioni naturali, ma sono utili per determinare la massima efficienza.
Quattro processi si ripetono in un ciclo termico di Carnot. Il primo è un’espansione isotermica. “Isotermico” significa che la temperatura rimane la stessa durante tutto il processo. Il volume aumenta e la pressione diminuisce durante questo e l’energia viene aggiunta al sistema.
Il processo successivo è noto come espansione adiabatica. Nei processi adiabatici, il sistema non acquista o perde calore. Le variazioni di temperatura si verificano a causa di variazioni di pressione e volume. Per questo particolare passaggio, la pressione viene diminuita e il volume viene aumentato, al fine di diminuire la temperatura.
Il terzo è una compressione isotermica. La pressione aumenta e il volume diminuisce durante questo processo e l’energia viene rimossa dal sistema. Infine, viene eseguita una compressione adiabatica per riportare il sistema allo stato originale. La pressione viene aumentata e il volume viene diminuito per aumentare la temperatura.
A causa del presupposto che non vi è alcun cambiamento nell’entropia durante il ciclo di Carnot, potrebbe essere eseguito all’infinito e mantenere la stessa quantità di energia ogni volta che torna al suo stato originale. C’è ancora un po’ di entropia anche in questo sistema idealizzato, tuttavia, il che significa che non può essere efficiente al 100%. L’efficienza effettiva di un ciclo termico di Carnot può essere calcolata utilizzando le sue temperature massime e minime, sulla scala della temperatura assoluta o Kelvin (K). In questa equazione, la temperatura minima viene sottratta dalla massima e questo numero viene quindi diviso per la temperatura massima.