1820년대 프랑스의 N.L.S.카르노는 증기기관의 기본적 이론을 만들고자 하는 의도로, 열을 동력(일)으로 바꾸는 구조 일반을 고찰하였는데, 이것이 열기관이다. 열기관에 공급된 열로부터 얼마만큼의 일을 얻을 수 있는지를 생각할 때, 얻을 수 있는 일의 비율이 크면 클수록 그 기관은 쓸모있다고 할 수 있다. 여기서 얻어지는 일과 공급되는 열의 비율을 효율이라 하며, 최대효율은 어떠한 경우에 얻어지는지를 조사할 수 있다. 카르노는 이와 같은 고찰을 진행하기 위하여 오늘날 카르노사이클(Carnot cycle)이라고 하는 이상적인 기구를 가상하였다.
카르노사이클은 각각 단계에서의 변화가 무한적으로 천천히 진행되어 한 바퀴 순환하는 과정을 거치는 것으로서, 각 단계가 거의 평형상태에 있기 때문에 변화의 방향을 반대로 하여도 전혀 과정이 변하지 않는다. 즉, 변화의 방향을 반대로 해서 한 바퀴 돌리는 것도 가능한 기관(가역기관)이다. 처음 한 바퀴 돌릴 때 고온의 물체로부터 열을 받아, 외부에서 일을 하며, 저온의 물체로 열이 흘러 들어가게 하는 것이라면, 역행과정은 저온의 물체로부터 열을 얻어내고, 고온의 물체에 열을 주어, 그 사이에 외부로부터 일을 받는 형태로 한 바퀴 순환한다.
이와 같은 카르노사이클을 생각하면 사실 그 효율은 사이클로 작동시키는 물질의 종류와는 관계 없이, 모두 동일하다는 것이 증명된다. 이 효율(최대효율이 된다)은 두 물체의 온도만으로 결정된다(카르노의 원리). 카르노는 이것을 증명할 때, 영구기관이 불가능하다고 하는 원리를 사용했다.
만일 2개의 카르노사이클의 효율이 동일하지 않다고 하면, 한쪽을 순방향으로, 다른 쪽을 역방향으로 작동하도록 하여 연결시켜서 얻는 일이 공급하는 일과 같아지도록 소거시키면, 외부에 아무 변화도 남기지 않고 고온의 물체로 열을 공급하는 것이 가능하다는 결과를 얻을 수 있게 된다. 이것은 영구기관이다. 영구기관은 불가능하므로, 이것은 존재할 수 없다. 따라서 2개의 카르노사이클의 효율은 동일하지 않으면 안 된다. 이것이 카르노의 정리의 주요 내용이다.
이 내용은 그 후 R.E.클라우지우스에 의해 정리되어 ‘저온의 물체로부터 고온의 물체로 열을 이동시키는 것 외에, 아무 변화도 남기지 않는 과정은 있을 수 없다’고 하는 형식으로 그 중요성이 강조되었다. 이것은 오늘날 열역학 제2법칙의 한 표현이라 할 수 있다.
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