Unter allen thermodynamischen Kreisprozessen hat der Carnot-Kreisprozess eine besondere theoretische Bedeutung und praktische Anwendung. Oft wird es unübertroffen, großartig, ideal usw. genannt. Und für viele scheint es im Allgemeinen etwas Geheimnisvolles und Unverständliches zu sein. Wenn jedoch alle Akzente richtig gesetzt sind, wird sich sofort die ganze Einfachheit, Genialität und Schönheit dieser vom französischen Wissenschaftler und Ingenieur Sadi Carnot entdeckten Erfindung erschließen. Und es wird deutlich werden, dass es in dem von ihm vorgeschlagenen Prozess nichts Übernatürliches gibt, sondern nur die effizienteste Nutzung einiger Naturgesetze.
Also, was ist der berühmte und mysteriöse Carnot-Zyklus wirklich? Es kann als quasistatischer Prozess definiert werden, der darauf basiert, ein thermodynamisches System in thermischen Kontakt mit einem Paar thermostatischer Tanks mit konstanten und stabilen Temperaturwerten zu bringen. Dabeies wird angenommen, dass die Temperatur des ersten (Heizung) die des zweiten (Kühlschrank) übersteigt. Der Carnot-Kreisprozess besteht darin, dass zunächst ein thermodynamisches System, das zunächst einen bestimmten Heizwert hat, mit einer Heizung in Kontakt kommt. Dann wird in ihm durch eine unendlich langsame Druckabnahme eine quasistatische Ausdehnung hervorgerufen, begleitet von Wärmeentnahme aus der Heizung und Widerstand gegen äußeren Druck.
Danach wird das System isoliert, was wiederum eine quasi-statische adiabatische Ausdehnung in ihm bewirkt, bis seine Temperatur die des Kühlschranks erreicht. Bei dieser Art der Expansion wird vom thermodynamischen System auch eine gewisse Widerstandsarbeit gegen den äußeren Druck geleistet. In diesem Zustand wird das System mit der Kältemaschine in Kontakt gebracht und durch kontinuierliche Druckerhöhung bis zu einem bestimmten Punkt komprimiert, wodurch es dann die von der Heizung entliehene Wärmeenergie vollständig an das zweite Reservoir abgibt. Der Carnot-Zyklus ist insofern einzigartig, als er nicht mit Wärmeverlust einhergeht. Theoretisch kann ein solches Schema als Perpetuum mobile bezeichnet werden. Denn der thermische Wirkungsgrad des Carnot-Kreises ist, abhängig nur von den Temperaturen des Tankpaares, immer der höchstmögliche. Allerdings ist es noch niemandem gelungen, eine Maschine zu bauen, deren thermischer Wirkungsgrad dreißig Prozent des Kreisprozesses von Sadi Carnot übersteigt.
Und dieser Prozess wird ideal genannt, weil erviel besser als andere Kreisläufe in der Lage ist, Wärme in nutzbare Arbeit umzuwandeln. Andererseits ist die Anwendung in realen Motoren aufgrund der Schwierigkeiten bei der Organisation und Durchführung isothermer Prozesse äußerst schwierig. Für eine maximale Wärmeübertragungseffizienz muss eine solche Maschine vollständig von der Außenumgebung isoliert werden, was in der Realität fast unmöglich ist.
Der umgekehrte Carnot-Zyklus liegt dem Funktionsprinzip einer Wärmepumpe zugrunde, die im Gegensatz zu einem Kühlschrank so viel Energie wie möglich an ein heißes Objekt wie eine Heizung abgeben muss. Ein Teil der Wärme wird aus der Umgebung entliehen, die eine niedrigere Temperatur hat, der Rest der benötigten Energie wird bei der Verrichtung mechanischer Arbeit freigesetzt, z. B. bei einem Kompressor.
