Pembangkit listrik tenaga uap ditunjukkan secara skematis pada Gambar 1; ini adalah sebuah sistem tertutup di mana uap bersirkulasi dalam aliran steady (konstan) melalui boiler, turbin, kondensor dan pompa secara bergantian. Pembangkit ini dirancang untuk mengambil keuntungan termodinamika dari uap yang dapat dikondensasi untuk mencapai efisiensi siklus tinggi.

Gambar 1. Komponen utama dari PLTU

Pada prinsipnya, PLTU bisa beroperasi pada siklus Carnot dan mencapai efisiensi Carnot. Siklusnya ditampilkan pada diagram entropi spesifik suhu (T-s), biasanya digunakan untuk menyajikan informasi siklus daya, pada Gambar 2. Untuk steam, tampilan diagramnya mirip dengan diagram volume spesifik dan suhu .

Gambar 2. Siklus Carnot diplot di wilayah campuran jenuh suhu-spesifik
diagram entropi dan volume spesifik tekanan. Perhatikan perbedaan antara diagram p – v ini
dan diagram untuk gas sempurna

Dalam boiler, uap jenuh dihasilkan dari cairan jenuh yang dipanaskan dalam pemanasan tekanan tetap. Uap jenuh mengembang secara bolak-balik dan secara adiabatis melalui turbin uap ke tekanan rendah; uap menggerakkan turbin dalam proses yang mengubah beberapa entalpi, energi kinetik dan energi potensial steam menjadi ouput tenaga dari turbin.

Campuran jenuh (air + uap) mengalir ke kondensor di mana beberapa uap terkondensasi pada tekanan konstan, menurunkan fraksi kekeringan. Akhirnya, campuran jenuh mengalir dari kondensor ke dalam pompa yang tekanannya dinaikkan ke tekanan boiler.

Siklus Carnot mewakili proses ideal yang dalam tataran praktisnya adalah sulit: sulit untuk menghentikan proses kondensasi di dalam kondensor sebelum semua uap dikondensasikan ke keadaan cairan jenuh, atau sulit untuk memompa campuran cairan dan uap dari kondensor ke tekanan boiler tanpa fase pemisahan.

Dalam ekspansi turbin, jika fraksi kekeringan uap turun terlalu rendah, tetesan cair dapat menyebabkan erosi yang parah pada bilah turbin. Masalah ini dapat diredakan dengan mengizinkan uap untuk mengembun ke kondisi cairan jenuh di kondensor dan memanaskan uap di ketel. Siklus yang dimodifikasi ini, sering disebut siklus Rankine dengan superheat, ditampilkan pada diagram T-s pada Gambar 3.

Gambar 3. Siklus Rankine dengan superheat diplot pada diagram entropi suhu tertentu

Dalam siklus ideal, ekspansi turbin dan kompresi pompa masih merupakan proses isentropis dan pelepasan panas masih terjadi pada temperatur konstan. Meskipun demikian, walaupun penambahan panas di boiler terjadi pada tekanan konstan sebagaimana sebelumnya, prosesnya bukan merupakan proses isotermal dalam ciklus rankine dan efisiensinya lebih rendah dari pada siklus carnot yang beroperasi antara temperatur atas dan bawah.

Semua proses pada ciklus Rankine adalah proses aliran steady dan perubahan energi potensial dan kinetik melewati tiap-tiap komponen pada sirkuit yang kecil dibandingkan dengan perubahan entalpi.