CarnotWirkungsgrad

Der CarnotWirkungsgrad, oft als Carnot-Effizienz bezeichnet, ist die theoretisch maximale Effizienz, die eine Wärmekraftmaschine zwischen zwei thermischen Reservoiren erreichen kann. Er ergibt sich aus dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik und wird durch einen reversiblen Carnot-Zyklus bestimmt, bei dem alle Prozesse ideal ablaufen und keine Entropie erzeugt wird.

Der ideale Carnot-Zyklus besteht aus zwei isothermen Zustandsänderungen und zwei adiabatischen (reversiblen) Änderungen. Für diesen Motor gilt η_C = W/Q_in = 1 − Q_out/Q_in = 1 − T_kühl/T_heiß, wobei T_heiß die Temperatur des heißen Reservoirs und T_kühl die Temperatur des kalten Reservoirs in Kelvin sind. Die Effizienz hängt somit ausschließlich von den Reservoirtemperaturen ab und nicht vom Arbeitsstoff oder vom Aufbau des Zyklus.

Da die Beziehung η_C = 1 − T_kühl/T_heiß gilt, ist der Carnot-Wirkungsgrad eine intrinsische Obergrenze: Er kann nur erreicht werden, wenn der Prozess vollkommen reversibel verläuft. In realen Maschinen treten Irreversibilitäten wie Reibung, endliche Wärmeübertragung und Wärmeverluste auf, weshalb der tatsächliche Wirkungsgrad unter diesem Grenzwert liegt.

Die Konzeptualisierung des Carnot-Wirkungsgrads dient als theoretischer Maßstab und Benchmark für Wärmekraftmaschinen. Ebenso liefert er eine obere Grenze für den COP von Kühlsystemen und Wärmepumpen. In der Praxis bleibt der Carnot-Wirkungsgrad eine zentrale Größe in der Thermodynamik, um Leistungsgrenzen zu verstehen und zu vergleichen.