안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
카르노 기관이 기준이 된 건 열기관 효율에 물리 법칙이 정한 천장이 있다는 걸 보여줬기 때문이에요. 열기관은 뜨거운 곳에서 열을 받아 일부를 일로 바꾸고 나머지를 차가운 곳에 버리는 장치인데, 카르노는 이 과정에서 효율을 갉아먹는 낭비가 전혀 없는 이상적인 순환을 설계했어요. 온도 차이가 있는 물체끼리 직접 열이 흐르는 순간 그 열은 일로 바꿀 기회를 잃는데, 카르노 사이클은 열 교환을 온도 차이가 거의 0인 상태에서만 하도록 짜여 있어요.
이렇게 낭비를 완전히 제거하면 효율이 기관의 재질이나 구조와 무관하게 오직 두 열원의 온도로만 결정돼요. 뜨거운 쪽과 차가운 쪽의 온도 차가 클수록 효율이 높아지는 간단한 식이 나오죠. 여기서 중요한 결론이 따라 나와요. 만약 어떤 기관이 카르노 효율을 넘는다면 열이 저절로 차가운 곳에서 뜨거운 곳으로 흐르는 셈이 되어 열역학 제2법칙이 무너져요. 그래서 카르노 효율은 아무리 기술이 발전해도 넘을 수 없는 상한선인 거예요.
실제 구현이 불가능한 이유는 온도 차 없이 열을 주고받으려면 무한히 느리게 작동해야 해서예요. 출력이 0에 수렴하니 실용 기관은 일부러 낭비를 감수하고 속도를 얻는 거죠. 그래도 발전소나 엔진을 설계할 때는 지금 만든 기관이 이론 한계에 얼마나 가까운지를 카르노 효율과 비교해서 평가해요 :)