Le cycle thermique de Carnot, plus précisément appelé cycle de Carnot, est un cycle thermodynamique idéalisé qui permet de déterminer le rendement maximum possible pour un moteur thermique fonctionnant entre deux températures données. Il est utilisé à des fins théoriques, mais ne peut pas réellement fonctionner dans des systèmes physiques. Bien qu’en théorie, un moteur puisse être construit avec une efficacité proche de son maximum, le transfert de chaleur dans le cycle est trop lent pour que ce soit un système pratique. L’intérêt principal du cycle de Carnot réside dans l’établissement du rendement maximum pour les autres types de moteurs thermiques.
Deux hypothèses sont faites dans la construction du cycle thermique de Carnot, pour lui donner le maximum d’efficacité possible – tous les processus sont réversibles, et il n’y a pas de changement d’entropie. Un processus réversible est un processus qui peut être ramené à son état d’origine sans perte d’énergie. L’entropie est la quantité d’énergie dans un système qui n’est pas disponible pour effectuer un travail. Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la quantité d’entropie dans un système doit augmenter ou rester la même lorsqu’un processus se produit. Aucune de ces hypothèses ne peut être remplie dans des conditions naturelles, mais elles sont utiles pour déterminer l’efficacité maximale.
Quatre processus se répètent dans un cycle thermique de Carnot. Le premier est une expansion isotherme. Isotherme signifie que la température reste la même tout au long du processus. Pendant ce temps, le volume augmente et la pression diminue, et de l’énergie est ajoutée au système.
Le processus suivant est connu sous le nom d’expansion adiabatique. Dans les processus adiabatiques, aucune chaleur n’est gagnée ou perdue par le système. Les changements de température se produisent en raison des changements de pression et de volume. Pour cette étape particulière, la pression est diminuée et le volume est augmenté, afin de diminuer la température.
La troisième est une compression isotherme. La pression augmente et le volume diminue au cours de ce processus, et l’énergie est retirée du système. Enfin, une compression adiabatique est effectuée pour ramener le système à son état d’origine. La pression est augmentée et le volume est diminué afin d’augmenter la température.
En raison de l’hypothèse qu’il n’y a pas de changement d’entropie au cours du cycle de Carnot, il pourrait être exécuté à l’infini et maintenir la même quantité d’énergie à chaque fois qu’il revenait à son état d’origine. Il y a encore de l’entropie même dans ce système idéalisé, ce qui signifie qu’il ne peut pas être efficace à 100 %. L’efficacité réelle d’un cycle thermique de Carnot peut être calculée à partir de ses températures maximale et minimale, sur l’échelle de température absolue ou Kelvin (K). Dans cette équation, la température minimale est soustraite du maximum, et ce nombre est ensuite divisé par la température maximale.