カルノーサイクル（）は、温度の異なる2つの熱源の間で動作する可逆熱サイクルの一種である。ニコラ・レオナール・サディ・カルノーが熱機関の研究のために思考実験として 1824 年に導入したものであるカルノーの導入以降しばらくは注目されなかったが、19 世紀後半にウィリアム・トムソンにより再発見された後に本格的な熱力学の起点となり、熱力学第二法則、エントロピー等の重要な概念が導き出されることになった。カルノーサイクルは実際には実現不可能だが、限りなく近いものを作ることは可能であり、スターリングエンジンはこれに近い。次の各過程が準静的（可逆的）に行われるものとする。カルノーサイクルの理論熱効率（カルノー効率） formula_5 は、2つの熱源の温度のみで決まり、となる。ここで"W" は有効仕事：である。これは、理想気体による等温膨張において、高温・低温部それぞれの体積変化による仕事量を計算し、その比を取ると、となることから導かれる。このことから低温熱源の温度が絶対零度ならば熱効率は１となり、熱を仕事に完全に転換できる第二種永久機関が作れることになるが、実際には様々な理由から不可能であることが証明されている（断熱膨張を無限大まで行わねばならないこと、絶対零度に到達することは実際には不可能であること）。エントロピー変化は、であり、さきの熱効率の関係式から全サイクルでは差し引き 0 となる。

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