Theoretische Grundlage aller Wärmekraftmaschinen ist der sogenannte carnotsche Kreisprozess, welcher aus den folgenden vier Teilvorgängen besteht:
(1) Isotherme Expansion
Das Volumen vergrößert sich von V1 auf V2, der Druck sinkt von p1 auf p2, die Temperatur T1 bleibt konstant;
Wärmenergie Q1 muss zugeführt werden, mechanische Arbeit W1 wird frei.
(2) Adiabatische Expansion
Das Volumen vergrößert sich von V2 auf V3, der Druck sinkt von p2 auf p3, die Temperatur sinkt von T1 auf T2.
Mechanische Arbeit W2 wird frei.
(3) Isotherme Kompression
Das Volumen verringert sich von V3 auf V4, der Druck steigt von p3 auf p4, die Temperatur T2 bleibt konstant.
Mechanische Energie W3 muss zugeführt werden; Wärmenergie Q3 wird frei.
(4) Adiabatische Kompression
Das Volumen verringert sich von V4 auf V1, der Druck steigt von p4 auf p1, die Temperatur sinkt von T2 auf T1.
Mechanische Energie W4 muss zugeführt werden.
Die von den Isothermen und Adiabaten eingeschlossene Fläche ist ein Maß für die nach außen abgegebene Arbeit. Durch Vergrößerung der Temperatur- bzw. Volumendifferenzen kann diese erhöht werden.
Für die von einer Wärmekraftmaschine geleistete Arbeit gilt allgemein:
Physikalische Anmerkungen:
Bei einer isothermen Zustandsänderung bleibt die Temperatur T konstant und für die Zustandsgrößen Druck p und Volumen V gilt:
Eine adiabatische Zustandsänderung ist dadurch charakterisiert, dass kein Wärmeaustausch mit der Umgebung erfolgt, es ändern sich alle drei Zustandgrößen (p, V und T) und es gilt: