Der Carnot-Zyklus ist ein idealisierter thermodynamischer Zyklus, der eine perfekte Wärmekraftmaschine beschreibt. Alle realen Wärmekraftmaschinen sind unvollkommene Annäherungen an die theoretische Perfektion, die durch den Carnot-Zyklus verkörpert wird. Im Carnot-Zyklus wird nicht die gesamte Wärmeenergie in mechanische Arbeit umgewandelt, aber ein großer Teil – der größte Teil, der nach physikalischen Gesetzen zulässig ist.
Eine Wärmekraftmaschine erzeugt Arbeit aus der Temperaturdifferenz zweier Speicher. Bei einem Verbrennungsmotor ist ein Speicher die im Motor erzeugte Wärme (Quelle) und der andere die äußere Umgebung (Senke). Die von der Quelle erzeugte Wärme bewirkt, dass sich das Gas im Inneren des Zylinders ausdehnt und einen Kolben antreibt, der seine Arbeit verrichtet. Der thermodynamische Zustand des Gases – expandierend, aber mit konstanter Temperatur – wird als isotherm bezeichnet.
Schließlich wird die Wärmequelle entfernt und das Gas hört auf, sich so schnell auszudehnen. Wenn die Hitze kontinuierlich weitergeführt würde, würde der Zylinder explodieren. Das Gas beginnt an Temperatur zu verlieren, wenn es sein maximales Volumen erreicht und verrichtet keine Arbeit mehr am Kolben. Dies wird als adiabatische Expansion des Gases bezeichnet. Dann kehrt der Kolben seinen Kurs um und komprimiert das Gas, bis es aufgrund der enthaltenen Wärme eine maximale Temperatur und einen maximalen physikalischen Widerstand erreicht und das System wieder in seinen Ausgangszustand versetzt. Dann beginnt der Zyklus von neuem.
Es gibt viele verschiedene Arten von Wärmekraftmaschinen. Alle arbeiten mit dem bekannten Temperaturgradienten zwischen einer Quelle und einer Senke. Um die Effizienz von Wärmekraftmaschinen zu maximieren, müssen sie gut isoliert sein. Bei den meisten heute verwendeten Motoren bleibt das Gas während des gesamten Zyklus ein Gas, bei Dampfmaschinen tritt jedoch ein Phasenwechsel zwischen Flüssigkeit und Gas auf.
In einem perfekten Carnot-Zyklus laufen alle vier Schritte sehr langsam ab, um die durch den Prozess erzeugte Entropie oder thermodynamische Irreversibilität zu minimieren. In Wirklichkeit schreiten die Schritte schnell voran und es wird Entropie erzeugt, was bedeutet, dass der Zyklus nicht ewig weitergehen kann. Die Wände des Zylinders bauen ab, Wärme aus dem Inneren des Motors geht an die äußere Umgebung verloren und so weiter. Der Carnot-Zyklus kann umgekehrt ausgeführt werden, um einen Kühlschrank zu erstellen.