카르노 순환: 가장 효율 좋은 기관
어떤 기관도 완전할 수 없을 때 남는 최선은 등온 두 구간과 단열 두 구간이 이어진 순환이다. 카르노는 그 효율을 (η = 1 - TCTH)로 적었고, 같은 두 열원 사이에 놓인 실제 기관은 이 값을 넘지 못한다. 작동 기체가 바뀌어도 그 천장은 두 열원의 온도만으로 정해져요.
고온 쪽에서 열을 주고받는 구간은 온도를 고정한 채 머물고, 열이 드나들지 않는 구간은 교환 없이 온도만 옮긴다. 네 구간을 아주 천천히 밟아야 기체가 평형 가까이에 머물며, 마찰과 유한한 온도 차가 낀 실제 기관은 그 느린 왕복에 온전히 닿지 못해요. 마찰이 일을 흩고 유한한 온도 차가 열을 새게 하면, 실제 기관은 그 느린 평형 왕복에 끝내 닿지 못한다.
효율은 η = 1 - TCTH로만 정해져 작동 기체가 무엇이든 같고, 800 K 증기로 돌리며 300 K 환경으로 열을 버리는 발전소의 천장은 60% 근처이며, 찬 쪽을 절대영도로 내릴 수 없어 100%에는 닿지 못해요. 찬 쪽을 절대영도까지 내릴 수 없으므로, 그 천장은 온도비가 허락하는 높이보다 아래에 영원히 그대로 붙어 있다.
가역 순환에서는 QCQH = TCTH, 곧 QHTH = QCTC예요. 열은 온도에 비례해 오가고 Q/T라는 몫이 그대로 보존되며, 그 몫이 다음 장에서 엔트로피라는 이름을 받는다. 가역 순환을 한 바퀴 돌면 그 몫이 제자리로 돌아오고, 다음 장이 이 보존된 몫에 엔트로피라는 이름을 아주 그대로 붙인다.
실제 기관은 천장 아래에만 머물고, 그 위를 넘는 기관이 있다면 거꾸로 도는 짝과 붙여 일 없이 열을 찬 쪽에서 뜨거운 쪽으로 나르는 영구기관이 되어 2법칙을 깨게 된다. 그 불가능이 천장을 제자리에 붙들어 둔다. 일 없이 열을 찬 쪽에서 뜨거운 쪽으로 나르는 영구기관이 설 수 없다는 그 불가능이, 아무도 넘지 못하는 천장을 끝까지 아주 단단히 그 자리에 붙들어 둔다.
효율은 오직 TCTH에 매달리고, 그것은 아무도 넘지 못하는 천장이며, 등식 QHTH = QCTC는 다음 장의 씨앗인 엔트로피예요. 실무에서는 천장을 올리려 TH를 재료가 버티는 데까지 높이는데, 제트기관과 발전소가 연소 온도를 밀어 올리는 이유가 바로 여기 있다. 재료가 버티는 한 연소 온도를 밀어 올리는 이유가 이 씨앗에 모여 있다.