CARNOT CYCLE은 냉동사이클에서 매우 중요하다. X축은 부피, Y축은 압력이다. 등온선 2개, 단열선 2개로 이뤄진 카르노 사이클은 마치 마름모처럼 생겼다. 단열선과 등온선이 ‘벽체’로 되어 있고, 기체는 이 과정을 통해 변화를 하면서 일하는 사이클이다. 모든 과정은 가역적이라는 가정에서 시작한다. 곧, 현실과는 동떨어진 사이클이다. 또한 동작유체도 이상유체로 가정한다.
PV=nRT 기체방정식을 만족한다.
고온저압일 때, 이상기체 상태로 활동한다. 자동차 혼합기가 특히 여기에 맞다. 열효율이 최대인 동작 사이클이 카르노 사이클이다.
등온팽창 과정은 고온열원에서 열량 QH를 흡수하면서 팽창한다.
단열팽창 과정은 열교환 없이 온도가 하강하면서 외부로 일을 한다. 단열은 외부와 열교환이 없다는 뜻이고, 기체 자체는 온도가 하강한다. 온도하강을 통해 일을 한다. 스키를 타면서 아래로 내려가면서 일을 하는 것과 같다.
등온압축은 저온열원으로 열량 QL이 방출되면서, 기체는 밑바닥으로 추락한다.
단열압축은 외부와 열교환이 없고, 온도는 상승하면서 최초 상태로 복귀한다.
어떤 시스템, 혹은 방이 있을 때, 열량이 외부로부터 투입되고, 그것을 통해 일을 한 다음에 나머지 열량은 밖으로 배출한다. 가령, 수입과 지출을 생각하면 쉽게 파악할 수 있다. 혹은 음식을 먹고, 소장과 대장에서 양분을 흡수한 다음에 나머지는 배설물로 버려진다. 배설물로 버려지지 않는다면, 내부에 있는 장기들은 존재할 수가 없다. 들어온 열량=하는 일+버려진 열량으로 공식이 성립한다. 열효율은 들어온 열량에 대한 행한 일이다. 행한 일 W=QH-QL이다.
카르노 기관의 특징은 열효율이 작업유체와 무관하다는 것이다. 고온의 열원과 저온의 열원으로 효율이 결정된다. 열효율을 높이려면, 1-QL/QH이므로, QH는 가급적 높고, QL은 0에 가까우면 된다. 그런데, QL은 0이 될 수 없다. 절대온도 0은 없기 때문이다. 카르노 사이클의 효율은 절대온도를 통해 표현될 수 있다. 이것이 카르노 사이클의 유용성이다.
고온열원 400도, 저온열원 100도, 카르노 사이클의 효율을 구한다면,
효율=(고온-저온)/고온이다. (단위는 절대온도) 300/(400+273)이 효율이다.
800도 고열원에서 열을 받아, 카르노 사이클이 일을 했다. 500KJ 일을 했다고 하면, 100도 저열원으로 방출하는 열량은 얼마일까?
먼저, 효율을 구해야 한다. 온도가 나오면, 효율을 구할 수 있다.
효율=700/(800+273)=0.65
QH=500/0.65=769KJ이 된다. 결국, 들어온 열량은 769J이고, 일은 500KJ이니, 방출된 열량은 269J이 된다. 쉽게 말해서, 769만원이 급여로 들어왔고, 500만원이 카드값으로 나갔다면, 통장에 남는 것은 269만원인 것이다.
카르노 열기관에서 700K, 200K로 작동한다면, 고열원에서 500KJ의 열을 공급받아서, 얼마나 일을 할 수 있을까? 이 문제도 먼저 효율을 구해야 한다. 온도가 주어졌으므로
효율=500/700=0.71
결국, W=500*0.71이 나온다. 357J이 된다.