Il rendimento di un ciclo termodinamico è strettamente legato ai tipi di trasformazione che lo compongono. Lo studioso Sadi Carnot presentò nel 1824 l’omonimo ciclo, scegliendo fra le due trasformazioni che meglio si avvicinano sperimentalmente alla condizione di reversibilità, l’adiabatica e l’isoterma. Il ciclo di Carnot riveste una speciale importanza in Termodinamica, dato che viene assunto come termine di riferimento per ogni altro ciclo; infatti Sadi Carnot, ideando questo ciclo, si era posto i seguenti due obiettivi:

§         note le temperature T_C a T_F delle due sorgenti di calore, che fungono rispettivamente da alimentatore e da scarico, individuare il ciclo di trasformazione che consente di raggiungere il massimo rendimento possibile;

§         scoprire se il valore del rendimento del ciclo è influenzato dalla natura del gas ideale impiegato.

Il ciclo inventato da Carnot consiste in una sequenza di quattro trasformazioni ideali: una compressione adiabatica; un'espansione isoterma, a temperatura T_C con introduzione del calore Q₁; un'espansione adiabatica; una compressione isoterma, a temperatura T_F con espulsione del calore Q₀. Le quattro trasformazioni sono perfettamente reversibili, per cui il ciclo può essere percorso indifferentemente nei due sensi, infatti il ciclo è anche detto motore di Carnot o frigorifero di Carnot, a seconda del verso considerato. Il ciclo di Carnot è rappresentato in figura

IL RENDIMENTO DEL CICLO DI CARNOT

La macchina termica di Carnot è puramente ideale e può essere ipotizzata come un cilindro con stantuffo, che contiene un generico gas ideale. Il cilindro viene a contatto alternativamente con due sorgenti una superiore, che cede al gas il calore Q₁ a temperatura T_C, ed una inferiore, che riceve dal gas il calore Q₀ a temperatura T_F.

Il ciclo di Carnot prevede 1'applicazione del primo principio della Termodinamica e delle leggi dei gas applicate alle trasformazioni ed il rendimento del ciclo h, avente valore generale, in quanto dipende solo dalle temperature dei due termostati collegati e si calcola nel modo seguente:

h= (Q₁-Q₀) / Q₁ = 1-Q₀ / Q₁ =1-T_C / T_F

Per il ciclo frigorifero è definita l’efficienza e come rapporto fra il calore sottratto Q ed il lavoro speso L.

Osservazione: la differenza fra calore entrante e quello uscente equivale al lavoro unitario svolto dal ciclo, Si nota come il rapporto fra lavoro e calore fornito è funzione delle temperature di lavoro e non dipende dal tipo di gas impiegato.