Der Carnot-Wärmezyklus, besser als Carnot-Zyklus bezeichnet, ist ein idealisierter thermodynamischer Zyklus, der verwendet wird, um den maximal möglichen Wirkungsgrad für eine zwischen zwei gegebenen Temperaturen arbeitende Wärmekraftmaschine zu bestimmen. Es wird zu theoretischen Zwecken verwendet, kann aber nicht in physikalischen Systemen eingesetzt werden. Obwohl ein Motor theoretisch konstruiert werden könnte, der nahe dem maximalen Wirkungsgrad arbeitet, ist die Wärmeübertragung im Zyklus zu langsam, um ein praktisches System zu sein. Der Hauptwert des Carnot-Zyklus liegt darin, den maximalen Wirkungsgrad für andere Arten von Wärmekraftmaschinen zu ermitteln.
Bei der Konstruktion des Carnot-Wärmekreislaufs werden zwei Annahmen getroffen, um ihm die maximal mögliche Effizienz zu geben – alle Prozesse sind reversibel und es gibt keine Entropieänderung. Ein reversibler Prozess ist ein Prozess, der ohne Energieverlust in seinen ursprünglichen Zustand zurückgeführt werden kann. Entropie ist die Energiemenge in einem System, die nicht für Arbeit zur Verfügung steht. Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik muss die Entropie in einem System bei einem Prozess zunehmen oder gleich bleiben. Keine dieser Annahmen kann unter natürlichen Bedingungen erfüllt werden, aber sie sind nützlich, um den maximalen Wirkungsgrad zu bestimmen.
Vier Prozesse wiederholen sich in einem Carnot-Heizzyklus. Die erste ist eine isotherme Expansion. „Isotherm“ bedeutet, dass die Temperatur während des gesamten Prozesses gleich bleibt. Dabei nimmt das Volumen zu und der Druck ab, und dem System wird Energie zugeführt.
Der nächste Prozess wird als adiabatische Expansion bezeichnet. Bei adiabatischen Prozessen wird keine Wärme vom System gewonnen oder verloren. Temperaturänderungen treten aufgrund von Druck- und Volumenänderungen auf. Für diesen speziellen Schritt wird der Druck verringert und das Volumen erhöht, um die Temperatur zu senken.
Drittens ist eine isotherme Kompression. Während dieses Vorgangs nimmt der Druck zu und das Volumen ab, und dem System wird Energie entzogen. Schließlich wird eine adiabatische Kompression durchgeführt, um das System in seinen ursprünglichen Zustand zurückzuführen. Der Druck wird erhöht und das Volumen verringert, um die Temperatur zu erhöhen.
Aufgrund der Annahme, dass sich die Entropie während des Carnot-Zyklus nicht ändert, könnte er endlos durchgeführt werden und jedes Mal die gleiche Energiemenge beibehalten, wenn er in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt. Allerdings gibt es auch in diesem idealisierten System noch eine gewisse Entropie, was bedeutet, dass es nicht 100% effizient sein kann. Die tatsächliche Effizienz eines Carnot-Wärmekreislaufs kann anhand seiner maximalen und minimalen Temperaturen auf der absoluten oder Kelvin (K)-Temperaturskala berechnet werden. In dieser Gleichung wird die minimale Temperatur von der maximalen abgezogen und diese Zahl dann durch die maximale Temperatur geteilt.