Ciclo de Carnot
Cuando ningún motor puede ser completo, lo mejor que queda es un ciclo unido por dos tramos isotermos y dos adiabáticos. Carnot escribió esa eficiencia como (η = 1 - TCTH), y un motor real colocado entre los mismos dos focos no supera este valor. Cambies el gas de trabajo o no, el techo sigue fijado solo por las dos temperaturas.
Los tramos que intercambian calor en el lado caliente se quedan a temperatura fija, y los tramos donde el calor no cruza mueven solo la temperatura, sin intercambio. Los cuatro tramos hay que recorrerlos muy despacio para que el gas permanezca cerca del equilibrio, y un motor real que lleva fricción y un salto finito de temperatura nunca alcanza del todo ese viaje lento de ida y vuelta. Cada paso lento es lo que impide que el gas se aleje del estado que el diagrama supone. La fricción y un salto finito de temperatura mantienen a un motor real fuera de ese viaje lento.
La eficiencia queda fijada solo como η = 1 - TCTH, así que el gas de trabajo no importa. Una central que gira con vapor a 800 K y vierte calor a un ambiente de 300 K tiene un techo cerca del 60 por ciento, y como el lado frío no puede bajarse al cero absoluto nunca llega al 100 por ciento. El cero absoluto sigue fuera de alcance, así que el techo se queda estrictamente por debajo de todo el calor tomado. Como el lado frío no llega al cero absoluto, el techo se queda por debajo de todo el calor tomado.
En un ciclo reversible QCQH = TCTH, es decir QHTH = QCTC. El calor va y viene en proporción a la temperatura y el cociente Q/T se conserva, y ese cociente recibe el nombre de entropía en el capítulo siguiente. Las dos barras de calor y de temperatura se mueven juntas, y sea cual sea el cociente que pongas, la igualdad es lo que se queda quieto. Ese cociente conservado es la razón de que el capítulo siguiente pueda ponerle nombre al intercambio en vez de dejarlo como una proporción suelta. Ese cociente conservado es lo que el capítulo siguiente va a nombrar, cuando el ciclo lo haya devuelto a sí mismo.
Un motor real se queda solo bajo el techo, y si algún motor se sentara por encima podrías emparejarlo con un gemelo invertido y llevar calor del lado frío al lado caliente sin trabajo alguno, una máquina perpetua que rompería la ley 2. Esa imposibilidad es lo que sujeta el techo en su sitio. Quien dibuja algo por encima de esa línea trata un error de dibujo, no un diseño, y la prueba no depende del combustible ni del metal. La imposibilidad de subir calor sin trabajo es lo que sujeta el techo en su sitio.
La eficiencia cuelga solo de TCTH, es un techo que nadie cruza, y la igualdad QHTH = QCTC es la semilla del capítulo siguiente, la entropía. En la práctica se sube el techo al elevar TH hasta donde los materiales aguantan, y por eso los motores de reacción y las centrales empujan la temperatura de combustión. Subir la temperatura caliente es la palanca que a un constructor todavía le queda. Empujar la temperatura de combustión hasta donde los materiales aguantan es cómo se levanta ese techo.