Из определения термического КПД следует, что понятие об этой величину тесно связано с сущностью второго закона термодинамики. Вопрос максимальной части теплоты, которая может быть преобразована в механическую работу, можно решить с помощью цикла Карно.
Французский физик и инженер Сади Карно показал, каким образом необходимо строить цикл изменения состояния рабочего тела, чтобы для заданных условий работы двигателя термический КПД имел наибольшее значение.
В цикле Карно расширения рабочего тела происходит за двумя последовательными процессами: изотермическом 1-2 и адиабатного 2-3 (рис. 1.15, а). В течение первого процесса рабочее тело соприкасается с горячим источником теплоты, который имеет температуру Те, и получает от него количество теплоты q1. В Ts-диаграмме этот процесс изображается прямой 1-2 (рис. 1.15, б). От точки 2 процесс расширения протекает адиабатно, при этом соприкосновения рабочего тела и источника тепла исключается. Точка 3 характеризует конечное состояние рабочего тела. Для возврата рабочего тела в исходное состояние Карно предложил проводить сжатия газа за изотермой 3-4, при этом рабочее тело соприкасается с холодным источником тепла, который имеет температуру Т2, и отдает ему количество теплоты q2. Температура газа в этом процессе также будет равна Т2. В Ts-диаграмме этот процесс изображается изотермой Т2, пересечение которой с адиабаты, выходящий из точки 2, и дает точку 3 (рис. 1.15, б). Конец изотермического сжатия (точка 4) определяют таким образом, чтобы газ при дальнейшем адиабатного сжатия вернулся к исходному состоянию (точка 1). Таким образом, весь цикл Карно можно разбить на 4 этапа:
1) изотермическое расширение 1-2;
2) адиабатное расширения 2-3;
3) изотермическое сжатие 3-4;
4) адиабатное сжатия 4-1.