Parmi tous les processus thermodynamiques cycliques, le cycle de Carnot a une signification théorique particulière et une application pratique. On l'appelle souvent inégalé, grand, idéal, etc. Et pour beaucoup, cela semble généralement être quelque chose de mystérieux et d'incompréhensible. Cependant, si tous les accents sont correctement placés, alors toute la simplicité, le génie et la beauté de cette invention, découverte par le scientifique et ingénieur français Sadi Carnot, s'ouvriront instantanément. Et il deviendra clair qu'il n'y a rien de surnaturel dans le processus qu'il a proposé, mais seulement l'utilisation la plus efficace de certaines lois de la nature.
Alors, qu'est-ce que le fameux et mystérieux cycle de Carnot ? Il peut être défini comme un processus quasi-statique basé sur la mise en contact thermique d'un système thermodynamique avec une paire de réservoirs thermostatiques ayant des valeurs de température constantes et stables. Oùon suppose que la température du premier (chauffage) dépasse celle du second (réfrigérateur). Le cycle de Carnot consiste dans le fait que d'abord un système thermodynamique, ayant initialement une certaine valeur thermique, entre en contact avec un réchauffeur. Puis, par une décroissance infiniment lente de la pression, une dilatation quasi-statique s'y produit, accompagnée d'un emprunt de chaleur au réchauffeur et d'une résistance à la pression extérieure.
Après cela, le système est isolé, ce qui provoque à nouveau une expansion adiabatique quasi-statique jusqu'à ce que sa température atteigne celle du réfrigérateur. Avec ce type de détente, un certain travail de résistance à la pression extérieure est également effectué par le système thermodynamique. Dans cet état, le système est mis en contact avec le réfrigérateur et, en augmentant continuellement la pression, il est comprimé jusqu'à un certain point, à la suite de quoi il transfère alors intégralement l'énergie thermique empruntée au réchauffeur vers le deuxième réservoir. Le cycle de Carnot est unique en ce sens qu'il ne s'accompagne d'aucune perte de chaleur. Théoriquement, un tel schéma peut être appelé une machine à mouvement perpétuel. En effet, le rendement thermique du cycle de Carnot, dépendant uniquement des températures du couple de réservoirs, sera toujours le plus élevé possible. Pourtant, personne n'est encore parvenu à créer une machine dont le rendement thermique dépasserait trente pour cent de celui permis par le procédé cyclique de Sadi Carnot.
Et ce processus est appelé idéal car ilbeaucoup mieux que les autres cycles est capable de convertir la chaleur en travail utile. En revanche, du fait des difficultés d'organisation et de réalisation des processus isothermes, son application dans des moteurs réels est extrêmement difficile. Pour une efficacité maximale du transfert de chaleur, une telle machine doit être complètement isolée de l'environnement extérieur, ce qui est en réalité presque impossible.
Le cycle de Carnot inversé sous-tend le principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur qui, contrairement à un réfrigérateur, doit donner le plus d'énergie possible à un objet chaud, comme un système de chauffage. Une partie de la chaleur est empruntée à l'environnement, qui a une température plus basse, le reste de l'énergie requise est libérée lors de l'exécution d'un travail mécanique, tel qu'un compresseur.
