Из всех периодически действующих тепловых машин, имеющих одинаковые температуры нагревателей T₁ и холодильников T₂, наибольшим КПД обладают обратимые машины. При этом КПД обратимых машин, работающих при одинаковых температурах нагревателей и холодильников, равны друг другу и не зависят от природы рабочего тела, а определяются только температурами нагревателя и холодильника.

Для построения рабочего цикла использует обратимые процессы. Например, цикл Карно состоит из двух изотерм (1–2, 2-4) и двух адиабат (2-3, 4–1), в которых теплота и изменение внутренней энергии полностью превращаются в работу (рис. 19).



Рассмотрим изменение энтропии рабочего тела. Общее изменение энтропии в цикле: ΔS=ΔS₁₂+ΔS₂₃+ΔS₃₄+ΔS₄₁

Так как мы рассматриваем только обратимые процессы, общее изменение энтропии ΔS=0.

Последовательные термодинамические процессы в цикле Карно:

Процесс	Работа	Изменение энтропии	Наблюдается
Изотермическое расширение 1-2, T=const; V2>V1	A12=Q1=(m/M)·RT1·ln(V2/V1)	ΔS12=|Q1|/T1	тело принимает теплоту
Адиабатическое расширение 2-3, δQ=0; T2<T1	A23=-(m/M)·CV(T2-T1)	ΔS23=0	охлаждение до T2
Изотермическое сжатие 3-4, T=const; V3>V4	A34=(m/M)·RT2·ln(V4/V3)=-Q2	ΔS34=|Q2|/T2	тело отдает теплоту
Адиабатическое сжатие 4-1, δQ=0; T1<T2	A41=-(m/M)·CV(T1-T2)=-A23	ΔS41=0	восстановление начального состояния p1, V1, T1

Общее изменение энтропии в равновесном цикле:



поэтому: η_max=1-(T₂/T₁) - максимальный КПД теплового двигателя.

Следствия:
1. КПД цикла Карно не зависит от рода рабочего тела.
2. КПД определяется только разницей температур нагревателя и холодильника.
3. КПД не может быть 100% даже у идеальной тепловой машины, так как при этом температура холодильника должна быть T₂=0, что запрещено законами квантовой механики и третьим законом термодинамики.
4. Невозможно создать вечный двигатель второго рода, работающий в тепловом равновесии без перепада температур, т.е. при T₂=T₁, так как в этом случае η_max=0.

Тепловые двигатели повышают энтропию замкнутой системы.