Чрезвычайно богат на технические изобретения XIX в. Развитие промышленного производства «подстегивало» науку, в частности термодинамику, так как принципы работы первых тепловых паровых двигателей необходимо было теоретически.
Огромная заслуга в решении этого вопроса принадлежит французскому военному инженеру С. Карно, давшему инженерам и конструкторам ключ к пониманию физической сути тепловых процессов, осуществляемых в тепловых двигателях. Его работы указывают путь в решении проблемы повышения экономичности тепловых машин.
С. Карно с самого начала понимал, что работу тепловых машин нельзя объяснить с позиций теоретической механики. Принципы термодинамики, изложенные С. Карно в книге «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824), касаются не только паровых машин, но и всех тепловых двигателей в целом. И эту идею ученый высказал в то время, когда, кроме паровых, другие двигатели не были известны. Только в 1860 г., после создания теоретической базы, Э. Ленуар изготовил первый двигатель внутреннего сгорания. Причина произведенной работы, по мысли С Карно, заключается в существовании разности температур двух тепловых резервуаров (тел), которые обмениваются теплотой — от нагревателя (теплоотдатчика) к холодильнику (тепло-приемнику). Цикл Карно - школьный материал по физике — стал классикой термодинамики (рис. 6). В работах С. Кар но мы находим следующие основные положения: при равновесном процессе изменение состояния газа происходит столь медленно, что давление и температура успевают выравняться во всех частях занимаемого газом объема; любой равновесный процесс можно осуществить как в прямом, так и в обратном направлении; при этом обратный процесс проходит через те же состояния, что и прямой; уравнение состояния газа применимо для равновесных процессов; при адиабатическом расширении и сжатии энергия извне не поступает к рабочему телу и процессы идут за счет изменения его внутренней энергии.
Идеи С. Карно нашли продолжение в трудах У. Томсона, Р. Клаузиуса и др. Была выведена формула для определения коэффициента полезного действия теплового двигателя (С. Карно), в которой КПД теплового двигателя зависит от произведенной работы и теплоты, сообщенной нагревателем:
где — коэффициент полезного действия машины; А — произведенная работа; Q — количество теплоты, сообщенной нагревателем. Затем была определена формула КПД тепловой машины, работающей в температурном интервале Т=Т1 — Г, отличном от единицы:
где А — работа, совершаемая рабочим телом; Q — количество теплоты, сообщенное рабочему телу нагревателем; Т\ и Тг — абсолютные температуры нагревателя и холодильника. Теорема С. Карно доказывает, что максимальный коэффициент полезного действия всех тепловых машин, работающих в идентичных условиях (т. е. при одинаковой температуре нагревателя и холодильника), одинаков и определяется только температурами нагревателя и холодильника.
В 1850 г. немецкий ученый Р. Клаузиус открыл второе начало термодинамики (теплота от более холодного тела к более нагретому сама по себе перейти не может), ввел понятие энтропии. Как частный случай закона сохранения и превращения энергии был открыт первый закон термодинамики, согласно которому количество теплоты, сообщенное материальной системе, эквивалентно сумме прироста внутренней энергии системы и количества произведенной ею работы.
С. Карно рассчитал КПД для машин, применявшихся в его время. Самая производительная из них имела КПД 5%.