카르노 정리

순환 장치의 한계

열기관은 고온 열원에서 열을 받아 일부를 일로 바꾸고 나머지를 저온 열원으로 내보낸다. 한 주기가 끝나면 작업 물질은 처음 상태로 돌아간다. 카르노 정리는 같은 두 열원을 쓸 때의 이상적인 효율 상한을 알려 주며, 특정 연료나 엔진 형상 하나에만 적용되는 주장이 아니다.

가역성이 필요한 이유

상한을 달성하는 모형은 마찰이나 유한한 온도 차를 통한 열전달 같은 비가역성을 배제한다. 카르노 순환은 두 등온 과정과 두 가역 단열 과정으로 이를 나타낸다. 단순히 단열 과정이 포함되어 있다는 이유만으로 실제 장치가 가역 기관이 되지는 않는다.

절대온도로 계산

고온 열원이 500 K, 저온 열원이 300 K라면 효율 상한은 1−300/500=0.40이다. 섭씨 온도 숫자를 그대로 비율에 넣으면 잘못된 결과를 얻는다. 실제 기관의 효율은 이 상한보다 낮으며, 이 식은 출력이나 일의 양 자체를 알려 주지 않는다.

다른 기관과 비교

같은 두 열원 사이의 가역 기관보다 높은 효율을 가정하면 열역학 제2법칙과 모순되는 장치 조합을 만들 수 있다. 따라서 설계 차이만으로 이 한계를 넘을 수는 없다. 열원이 여러 개이거나 온도가 운전 중 변하는 상황은 단순한 두 열원 모형과 구별해야 한다.