Il ciclo di Carnot è un ciclo termodinamico idealizzato che descrive un perfetto motore termico. Tutti i veri motori termici sono approssimazioni imperfette della perfezione teorica incarnata dal ciclo di Carnot. Nel ciclo di Carnot, non tutta l’energia termica viene convertita in lavoro meccanico, ma una grande parte lo è — la parte più grande consentita dalla legge fisica.
Un motore termico produce lavoro dalla differenza di temperatura di due serbatoi. In un motore a combustione, un serbatoio è il calore creato all’interno del motore (sorgente) e l’altro è l’ambiente esterno (dispersore). Il calore generato dalla sorgente fa espandere il gas all’interno del cilindro, azionando un pistone che funziona. Lo stato termodinamico del gas — in espansione, ma a temperatura costante — è detto isotermico.
Alla fine la fonte di calore viene rimossa e il gas smette di espandersi così rapidamente. Se il calore fosse mantenuto acceso continuamente, il cilindro esploderebbe. Il gas inizia a perdere temperatura quando raggiunge il suo volume massimo e non agisce più sul pistone. Questa è chiamata espansione adiabatica del gas. Quindi il pistone inverte la rotta, comprimendo il gas, fino a quando non inizia a raggiungere la massima temperatura e resistenza fisica dovuta al calore che contiene, riportando il sistema allo stato di partenza. Poi il ciclo ricomincia.
Esistono molti tipi diversi di motori termici. Tutti lavorano sul familiare gradiente di temperatura tra una sorgente e un lavandino. Per massimizzare l’efficienza dei motori termici, devono essere ben isolati. Nella maggior parte dei motori utilizzati oggi, il gas rimane un gas per tutto il ciclo, ma nei motori a vapore si verifica un cambiamento di fase tra liquido e gas.
In un ciclo di Carnot perfetto, tutti e quattro i passaggi avvengono molto lentamente, per ridurre al minimo l’entropia, o irreversibilità termodinamica, creata dal processo. In realtà, i passaggi procedono rapidamente e viene generata entropia, il che significa che il ciclo non può andare avanti per sempre. Le pareti del cilindro si degradano, il calore dall’interno del motore si disperde nell’ambiente esterno e così via. Il ciclo di Carnot può essere eseguito al contrario per creare un frigorifero.