Le cycle de Carnot est un cycle thermodynamique idéalisé qui décrit un moteur thermique parfait. Tous les moteurs thermiques réels sont des approximations imparfaites de la perfection théorique incarnée par le cycle de Carnot. Dans le cycle de Carnot, toute l’énergie thermique n’est pas convertie en travail mécanique, mais une grande partie l’est – la plus grande partie autorisée par la loi physique.
Un moteur thermique produit du travail à partir de la différence de température de deux réservoirs. Dans un moteur à combustion, un réservoir est la chaleur créée à l’intérieur du moteur (source), et l’autre est l’environnement extérieur (puits). La chaleur générée par la source provoque la dilatation du gaz à l’intérieur du cylindre, entraînant un piston qui fonctionne. L’état thermodynamique du gaz – en expansion, mais à température constante – est appelé isotherme.
Finalement, la source de chaleur est supprimée et le gaz cesse de se dilater si rapidement. Si la chaleur était maintenue en permanence, le cylindre exploserait. Le gaz commence à perdre de la température lorsqu’il atteint son volume maximum et ne travaille plus sur le piston. C’est ce qu’on appelle la détente adiabatique du gaz. Ensuite, le piston inverse sa course, comprimant le gaz, jusqu’à ce qu’il commence à atteindre une température et une résistance physique maximales dues à la chaleur qu’il contient, remettant le système dans son état de départ. Puis le cycle recommence.
Il existe de nombreux types de moteurs thermiques. Tous fonctionnent sur le gradient de température familier entre une source et un puits. Pour maximiser l’efficacité des moteurs thermiques, ils doivent être bien isolés. Dans la plupart des moteurs utilisés aujourd’hui, le gaz reste un gaz tout au long du cycle, mais dans les moteurs à vapeur, un changement de phase se produit entre le liquide et le gaz.
Dans un cycle de Carnot parfait, les quatre étapes se déroulent très lentement, pour minimiser l’entropie, ou l’irréversibilité thermodynamique, créée par le processus. En réalité, les étapes progressent rapidement et une entropie est générée, ce qui signifie que le cycle ne peut pas durer éternellement. Les parois du cylindre se dégradent, la chaleur de l’intérieur du moteur se perd dans l’environnement extérieur, et ainsi de suite. Le cycle Carnot peut être inversé pour créer un réfrigérateur.