カルノーサイクル：熱力学における理想的な熱機関モデル

カルノーサイクル（英: Carnot cycle）は、温度の異なる2つの熱源の間で動作する、理想的な可逆熱力学サイクルの一種です。1824年にフランスの物理学者ニコラ・レオナール・サディ・カルノーが、熱機関の性能限界を研究するための思考実験として導入しました。

カルノーサイクルは、現実の熱機関が達成可能な理論上の最大効率を規定する基準として、熱力学の発展において極めて重要な役割を果たしました。このモデルの導入により、後の熱力学第二法則やエントロピーの概念が確立されることとなりました。

サイクルの構成

カルノーサイクルは、以下の4つの準静的（可逆的）な過程から構成されます。

• 断熱圧縮：外部から仕事を加え、温度を低温熱源（T_L）から高温熱源（T_H）まで上昇させる。
• 等温吸熱膨張：高温熱源（T_H）から熱（Q_H）を吸収し、温度を一定に保ちながら膨張する。
• 断熱膨張：外部へ仕事を行いながら膨張し、温度を高温熱源（T_H）から低温熱源（T_L）まで低下させる。
• 等温放熱圧縮：低温熱源（T_L）へ熱（Q_L）を放出し、温度を一定に保ちながら圧縮する。

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）η_thは、動作する2つの熱源の絶対温度のみによって決定されます。この効率は、同じ温度範囲で動作するいかなる熱機関の効率をも超えることはできません。

熱効率の式は以下の通りです：

η_th = 1 - (T_L / T_H)

ここで、T_Hは高温熱源の絶対温度、T_Lは低温熱源の絶対温度を表します。この式から、熱源の温度差が大きいほど効率が高くなることがわかります。もし低温熱源が絶対零度であれば効率は1（100%）となりますが、熱力学の法則上、絶対零度の実現や断熱膨張の無限大の継続は不可能であるため、熱を完全に仕事へ変換することはできません。