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Wärmekraftmaschinen wandeln thermische Energie in mechanische Arbeit um, wobei der Wirkungsgrad durch den Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik und die Entropie begrenzt wird.
Eine Wärmekraftmaschine ist ein Gerät, das thermische Energie (Wärme) nutzt, um mechanische Arbeit zu verrichten. Dabei wird Wärme von einem Reservoir mit hoher Temperatur aufgenommen, ein Teil davon in Arbeit umgewandelt und der Rest an ein Reservoir mit niedrigerer Temperatur abgegeben. Ein klassisches Beispiel ist der Automotor oder die Dampfmaschine.
Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Wärme niemals von selbst von einem Körper niedriger Temperatur zu einem Körper höherer Temperatur fließt. Er schränkt die Umwandlung von Wärme in Arbeit ein: Es ist unmöglich, eine Maschine zu bauen, die Wärme vollständig in Arbeit umwandelt, ohne dabei andere Veränderungen in der Umgebung zu hinterlassen.
Die Entropie ist ein Maß für die Unordnung in einem System oder die statistische Wahrscheinlichkeit eines Zustands. In einem abgeschlossenen System nimmt die Entropie bei spontanen Prozessen immer zu oder bleibt im Idealfall gleich. Man kann sie sich als 'Energieentwertung' vorstellen, da mit steigender Entropie weniger Energie für mechanische Arbeit zur Verfügung steht.
Der Wirkungsgrad (Formelzeichen η, 'Eta') gibt das Verhältnis von gewonnener mechanischer Arbeit zur zugeführten Wärmemenge an. Er ist immer kleiner als 1 (oder 100 %), da ein Teil der Energie immer als Abwärme verloren geht. Ein Wirkungsgrad von 0,4 bedeutet beispielsweise, dass 40 % der Wärme in Arbeit umgewandelt werden.
Der theoretisch maximal mögliche Wirkungsgrad zwischen zwei Temperaturen wird durch den Carnot-Wirkungsgrad beschrieben. Er hängt ausschließlich von der absoluten Temperatur des heißen Reservoirs (T_hoch) und des kalten Reservoirs (T_niedrig) ab. Die Formel lautet: η = 1 - (T_niedrig / T_hoch), wobei die Temperaturen in Kelvin angegeben werden müssen.
Um den Wirkungsgrad einer realen Maschine zu erhöhen, muss entweder die Temperatur der Wärmequelle gesteigert oder die Temperatur der Umgebung (Kühlmittel) gesenkt werden. Da wir die Umgebungstemperatur kaum beeinflussen können, versuchen Ingenieure meist, die Verbrennungstemperaturen in Motoren zu erhöhen.
Ein Perpetuum Mobile zweiter Art wäre eine Maschine, die Wärme vollständig in Arbeit umwandelt (Wirkungsgrad = 1). Da dies den Zweiten Hauptsatz und das Prinzip der Entropiezunahme verletzt, ist eine solche Maschine physikalisch unmöglich.
