Почему двигатель, который работает по циклу Карно, называют идеальной тепловой машиной?

Двигатель, работающий по циклу Карно, называют идеальной тепловой машиной, потому что он представляет собой предельный, теоретически совершенный вариант теплового двигателя. Такая машина показывает, какой максимально возможный коэффициент полезного действия вообще может иметь двигатель, работающий между двумя тепловыми резервуарами: нагревателем и холодильником.

Главная причина в том, что цикл Карно состоит только из обратимых процессов. Это означает, что при его работе не происходит потерь энергии на трение, теплопроводность при конечной разности температур, неравновесное расширение газа и другие необратимые явления. В реальных двигателях такие потери неизбежны, поэтому их КПД всегда ниже.

Цикл Карно включает четыре процесса:

1. Изотермическое расширение при температуре нагревателя. Рабочее тело получает тепло и совершает работу.

2. Адиабатическое расширение, при котором рабочее тело не получает и не отдаёт тепло, но его температура понижается.

3. Изотермическое сжатие при температуре холодильника. Рабочее тело отдаёт часть тепла холодильнику.

4. Адиабатическое сжатие, при котором температура рабочего тела снова повышается до температуры нагревателя.

Идеальность машины Карно связана ещё и с тем, что её КПД зависит только от температур нагревателя и холодильника, а не от устройства двигателя, вида газа или конкретных технических деталей. КПД такой машины выражается формулой:

где $T_1$ — абсолютная температура нагревателя, а $T_2$ — абсолютная температура холодильника.

Из этой формулы видно, что КПД тем больше, чем выше температура нагревателя и чем ниже температура холодильника. Но даже у идеальной машины КПД не может быть равен 100%, если температура холодильника выше абсолютного нуля. Часть тепла неизбежно должна быть отдана холодильнику, иначе нарушался бы второй закон термодинамики.

Поэтому двигатель Карно называют идеальной тепловой машиной не потому, что его можно полностью построить на практике, а потому что он является идеальной моделью, с которой сравнивают все реальные тепловые двигатели. Он задаёт верхний предел эффективности: ни один реальный двигатель, работающий между теми же температурами, не может иметь КПД выше, чем двигатель Карно.