为了探究如何提高热机的效率，法国科学家萨迪·卡诺（1796-1832）于1824年研究了一种理想的理论热机。当时，热力学第一定律和第二定律尚未提出。第一定律之所以尚未提出，是因为科学家们当时还不知道热是一种能量。焦耳及其同事在19世纪30年代进行实验后，科学家们发现热是由于温差而产生的能量流动。因此，热力学第一定律是在1830年之后提出的。萨迪·卡诺在1824年研究的理想理论热机，实际上是为了提高蒸汽机的效率。当时大多数蒸汽机的效率都很低。
萨迪·卡诺理想热机的循环被称为卡诺循环。在学习卡诺循环之前，我们再次理解了不可逆过程的概念。任何能量变化和能量转移的过程都是不可逆的。例如，我们搓手使手变暖。热量是通过我们做功产生的。这个过程是不可逆的。热量无法通过搓手来消除。
热机的目的是逆转部分热能转化过程，从而以尽可能高的效率利用热能做功。为了使热机达到最高效率，必须避免所有不可逆过程。热传递本质上是不可逆的，因此不应发生热量转移。
当发动机以高温 (TH) 吸收热量 (QH )时，机器内的工作流体也必须处于 TH温度。同样地，如果发动机以低温 (TL) 排出热量 (QL ) ，机器内的工作流体也必须处于 TL温度。因此，任何涉及热传递的过程都必须是等温的（温度相同）。反之，如果机器内工件的温度介于 TH 和 TL 之间，则机器中温度为TH的区域（供热区）和温度为 TL 的区域（排热区）之间不会发生热传递。由于热量没有转移，因此该过程必须是绝热的。
卡诺循环由两个可逆等温过程和两个可逆绝热过程组成。
旁边的图片是理想气体的活塞卡诺循环。首先，在等温膨胀（ab）过程中吸收热量。在等温膨胀过程中，气缸内的气体温度保持恒定。
接下来，气体进行绝热膨胀，温度从高温（T<sub>H</sub>）降至低温（ T<sub> L </sub>） （bc）。T <sub>H </sub>为高温，T<sub> L </sub>为低温。在绝热膨胀过程中，没有热量进入或离开气缸。之后，气体进行等温压缩（cd）。在等温压缩过程中，气体温度保持恒定。然后，气体进行绝热压缩（da）。由于是绝热压缩，气体温度升高。气体温度升高，因此气体压力也升高。卡诺循环的整个过程是可逆的。
在等温膨胀和等温加压过程中，气体温度保持恒定。其目的是避免任何温差。温差的存在会导致热传递（不可逆过程）。为了实现等温过程（气体温度始终恒定），气体必须逐渐膨胀或压缩。实际上，膨胀或气体压缩发生得更快。这是由于湍流（记住流体动力学）、摩擦、粘性等因素造成的。因此，理想的等温过程永远无法实现。相反，绝热膨胀和压缩则非常迅速。
目标是阻止热量流入或流出气缸。摩擦、粘性等因素的存在导致无法实现完全绝热膨胀和燃烧。请记住，卡诺循环只是理论上的，现实生活中并不存在卡诺循环。尽管卡诺循环只是理论上的，但它的存在对热力学的发展大有裨益。至少，我们可以了解循环过程中可能发生的任何不可逆过程，并尝试将其最小化，从而最大限度地提高循环效率。
卡诺热机的一个重要结果是，对于理想热机而言，吸收的热量 (Q<sub> H</sub> ) 与高温 (T<sub> H</sub> ) 成正比，而排出的热量 (Q<sub> L</sub> ) 与低温 (T<sub> L</sub> ) 成正比。因此，理想热机的效率为：
这是理想热机效率的方程式。
问题1：
一台蒸汽机的工作温度范围为 500 ℃至 300 ℃。求该蒸汽机的理想效率（卡诺效率）。
解决方案
温度应转换为开尔文温度。
高温( TH ) = 500 ° C = 500 + 273 = 773 K
低温T <sub> L </sub> = 300 ° C = 300 + 273 = 573 K
一台工作温度在 500°C 到 300°C 之间的理想热机的效率为 26%。当我们在日常生活中使用的机器工作温度在 500°C 到 300°C 之间时，机器所能达到的最大效率约为理想效率 (18.2%) 的 0.7 倍。
问题2：
一台热机在 300 °C 时吸收 600 J 的热量，对外做功 100 J，并在 100 °C 时排出 500 J 的热量。求该机器的实际效率和理想效率（卡诺效率）。
温度应转换为开尔文温度。
高温( TH ) = 300 ℃ - 300 + 273 = 573 K
低温T <sub> L </sub> = 100 ℃ - 100 + 273 = 373 K
Q H = 600 J
Q L = 500 J
发动机效率：
这台机器的理想效率：
一台在 300 °C 至 100 °C 之间工作的理想热机的效率为 35%。该机器所能达到的最大效率通常约为理想效率的 0.7 倍 = 0.7 x 35% = 24.5%（24.5% x 600 J = 147 J 的热量用于做功）。
这台机器的实际效率是17%（仅利用100焦耳的热量做功）。不过，大约还有147焦耳 - 100焦耳 = 47焦耳的热量可以用来做功。
问题3：
一台机器在每个循环中吸收 1000 焦耳的能量，并产生 400 焦耳的功。该机器的工作温度范围为 500 ℃至 200 ℃。计算该机器的实际效率和理想效率。
解决方案
高温( TH ) = 500 ℃ - 500 + 273 = 773 K
低温T <sub> L </sub> = 200 ℃ - 200 + 273 = 473 K
Q H = 1000 J
Q L = 400 J
发动机效率：
这台机器的理想效率：
卡诺效率 = 40%。实际发动机效率 = 60%。这台机器并不存在。机器的效率不可能高于卡诺效率。
问题4：
要使卡诺发动机效率达到 100% (1)，所需的排气温度 (T L ) 是多少？
解决方案
要使发动机效率达到 100%（所有热量都可以用来做功），则低温（T L ）应为 0 开尔文。
温度达到0开尔文是不可能的。这是热力学第三定律。
由于温度不可能达到 0 开尔文，因此理想热机的效率不可能达到 100%。既然热机无法实现 100% 的效率，就可以得出结论：不可能将所有热量 (Q<sub>H</sub>) 都用于做功。必然会有一些热量被浪费掉 (Q<sub> L</sub> )。
不存在任何热机（循环工作），能够将所有热量转化为功（热力学第二定律，开尔文-普朗克表述）。
此图显示的是一个单阶段的等温过程（等温膨胀）。在此过程中，所有热量 (Q) 均可转化为功 (W)。所做的功等于阴影部分的面积。
热机必须连续运转（过程必须反复发生，不能一步完成）。例如，往复式蒸汽机。往复式蒸汽机的活塞必须不断地左右运动，这样车轮才能旋转（才能用来驱动物体）。当活塞停止运动时，车轮无法旋转（过程只发生一步）。如果过程反复发生，就不可能将所有热量都转化为功（开尔文-普朗克定理）。
左图显示了等温膨胀（向下箭头）和等温压缩（向上箭头）过程。该过程连续进行（不做功）。右图显示了等温膨胀过程（向下箭头）、等压压缩过程（向左箭头）和等容过程（向上箭头）。从这两个图中可以看出，对于连续过程，总是会有热量损失。
