Цикл Карно — это идеальный цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат
, и КПД этого цикла является максимально возможным при заданных температурах нагревателя и холодильника. Казалось бы, инженерная мысль и должна работать в этих двух направлениях: как технически осуществить цикл Карно и как добиться максимально возможной разности температур. Осуществить цикл Карно технически довольно сложно хотя бы уже потому, что холодильник, поглощая тепло, не должен нагреваться, а нагреватель, отдавая тепло, не должен охлаждаться, т. е. они должны обладать бесконечной теплоемкостью. Это сложно, но осуществимо. Но вот другое препятствие неустранимо — изотермический процесс должен протекать очень медленно, в идеальном случае с бесконечно малой скоростью, значит, и мощность у машины будет бесконечно малой, что никого не устроит даже при очень высоком КПД. Поэтому приходится строить машины, работающие по другим циклам.
Конечно, КПД этих машин меньше, чем если бы они работали по циклу Карно, но ради мощности приходится жертвовать какой-то частью, иногда и немалой, КПД. Мы рассмотрим рабочие циклы двух двигателей внутреннего сгорания, т. е. таких двигателей, к которым теплота подводится не извне, как, например, в паровой машине, тоже, кстати, работающей не по циклу Карно, а образуется за счет сгорания топлива внутри рабочего цилиндра и продукты сгорания являются рабочим телом. Современный двигатель довольно сложное устройство, но схематически он представляет собой цилиндр с поршнем и двумя клапанами — впускным и выпускным. Поршень, двигающийся по цилиндру, через кривошипно-шатунный механизм приводит в движение маховик, который, в свою очередь, через трансмиссию передает движение, например, колесам автомобиля.
В первом цикле с помощью внешней силы (стартера или заводной ручки), а в остальных циклах за счет инерции маховика при открытом впускном клапане поршень двигается вниз и, создавая в цилиндре разрежение, всасывает горючую смесь — воздух с парами топлива. Двигаясь вверх при закрытых клапанах, поршень сжимает горючую смесь, сжатая смесь воспламеняется тем или иным способом, при горении смеси резко возрастает давление в цилиндре и происходит то, ради чего двигатель и создан — рабочий ход, т. е. движение поршня вниз под действием силы давления газообразных продуктов сгорания смеси. Затем поршень снова за счет инерции маховика движется вверх при открытом выпускном клапане и выталкивает отработанные газы в атмосферу, тем самым загрязняя ее. Затем выпускной клапан закрывается, открывается впускной и все повторяется. Впрочем, наша задача рассмотреть не устройство двигателя, а термодинамические циклы, на которых они работают.