カルノーサイクル
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テンプレート:出典の明記 テンプレート:統計力学 カルノーサイクル（テンプレート:Lang-en-short）は、温度の異なる2つの熱源の間で動作する可逆熱サイクルの一種である。ニコラ・レオナール・サディ・カルノーが熱機関の研究のために思考実験として1820年代に導入したものである。これによって本格的な熱力学が始まり、熱力学第二法則、エントロピー等の重要な概念が導き出されることになった。
カルノーサイクルは実際には実現不可能だが、限りなく近いものを作ることは可能であり、スターリングエンジンはこれに近い。
サイクル
次の各過程が準静的（可逆的）に行われるものとする。
- 1-2 断熱圧縮
- 2-3 温度 <math>T_H</math> で <math>Q_H</math> の熱を等温吸熱、膨張
- 3-4 断熱膨張
- 4-1 温度 <math>T_L</math> で <math>Q_L</math> の熱を等温放熱、圧縮
理論熱効率
カルノーサイクルの理論熱効率（カルノー効率） <math>\eta_{\mathrm{th}}</math> は、2つの熱源の温度のみで決まり、
- <math> \eta_{\mathrm{th}} \equiv \frac{W}{Q_H} = 1-\frac{T_L}{T_H} </math>
となる。ここでW は有効仕事：
- <math> W \equiv Q_H - Q_L \ </math>
である。
これは、理想気体による等温膨張において、高温・低温部それぞれの体積変化による仕事量を計算し、その比を取ると、
- <math> \frac{Q_L}{Q_H} = \frac{T_L}{T_H} </math>
となることから導かれる。
このことから低温熱源が絶対零度ならば、第二種永久機関を作れることになるが、実際は様々な理由により不可能であることが証明されている（断熱膨張を無限大まで行わねばならないこと、絶対零度に現実に到達することは不可能であること）。
エントロピー変化は、
- <math> \Delta S_H = \frac{Q_H}{T_H} , \quad \Delta S_L = -\frac{Q_L}{T_L} </math>
であり、さきの熱効率の関係式から全サイクルでは差し引き 0 となる。
