カルノーサイクルとはそもそも、効率的な仕事をする蒸気機関を作り出すために、考えられました。実際にカルノーサイクルと同じ機械を作ることは不可能ですが、近いものは作れます。
さて、どのようなサイクルによって仕事をしているのでしょうか。
すごく簡単に言うと、気体が高温熱源から熱を貰い、その熱を一部利用して仕事をし、仕事として使えなかった余りのエネルギーを低温熱源に放出するという仕組みです。
具体的には、上の図のように、4つの過程から成り立っています。
①a→bの過程
この過程は等温にして進められます。
気体は、高温の熱源からQ1のエネルギーを貰っています。
等温に保ってエネルギーを受け取ると、気体の体積は増加します。
（さらに詳しく言うと、理想気体の内部エネルギーは温度のみに依存するため、等温変化の場合、ΔＵ＝０です。ΔＵ＝Δｑ－ｐΔＶなので、Δｑ＝pΔVとなり、Δq>0なので、ΔＶ>0となります。）
②b→cの過程
この過程は断熱にして進められます。
気体は、断熱状態で膨張させられます。断熱状態で膨張すると、温度は下がります。
（さらに詳しく言うと、断熱変化の時、Δq=0なのでΔＵ＝Δｑ－ｐΔＶより、ΔＵ＝-pΔＶとなります。ΔV>0なので、ΔＵ<0となります。内部エネルギーは温度に比例するため、温度も下がります。）
③c→dの過程
この過程は等温にして進められます。
等温で圧縮されることにより、気体は低温の熱源にQ2のエネルギーを放出します。
（さらに詳しく言うと、理想気体の内部エネルギーは温度のみに依存するため、等温変化の場合、ΔＵ＝０です。ΔＵ＝Δｑ－ｐΔＶなので、Δｑ＝pΔVとなり、圧縮されているのでΔＶ<0となり、Δq<0となります。内部エネルギー変化の式においてqは系が吸収した熱量と定義されるので、Δq<0ということは熱を放出しているということです。）
④d→aの過程
この過程は断熱にして進められます。
断熱で圧縮されることにより、温度があがり、元の状態まで戻します。この過程は②の逆の過程です。
さて、これらの過程で合計の仕事はいくらになるでしょうか。
サイクル全体を見たとき、④の過程により、元の状態に戻っていますね。ということは、内部エネルギーに変化はないということです。つまり、ΔＵ=0です。
このサイクルが吸収した熱量はＱ１です。そして、放出した熱量はＱ２です。
外にした仕事をＷとすると、ΔＵ=0なので、
ΔＵ = (Q1-Q2) - W = 0
よって W = Q1 - Q2 となります。
（補足として、符号に注意してください。今回Ｑ２は放出した熱量として定義しているのでQ1-Q2となりますが、Ｑ２も吸収した熱量と定義すると、Ｑ２＜０となり、Ｗ＝Ｑ１＋Ｑ２となります。）
熱効率を考えると、 e = Q1 - Q2 / Q1 となります。
この効率が理想的な、最も良い熱効率となります。
