Der thermische Wirkungsgrad ist ein Maß für die Ausgangsenergie geteilt durch die Eingangsenergie in einem System. Er muss zwischen 0 % und 100 % liegen. Ein Wert von 100 % würde bedeuten, dass die gesamte Energie, die einem System zugeführt wird, herauskommt, wenn auch in anderer Form. Wärmekraftmaschinen und Kühlschränke haben beide verbundene thermische Wirkungsgrade, obwohl sie versuchen, entgegengesetzte Ziele zu erreichen. Die realen thermischen Wirkungsgrade fallen im Allgemeinen aus verschiedenen Gründen deutlich unter 100 %.
In einem Benzinmotor wird die zugeführte Energie in den chemischen Bindungen eines Kohlenwasserstoff-Kraftstoffs gespeichert. Ein Kohlenwasserstoffmolekül besteht vollständig aus Wasserstoff und Kohlenstoff. Wenn diese Moleküle mit Sauerstoff kombiniert werden, können sie chemisch reagieren und Kohlenmonoxid und Wasser bilden; im Wesentlichen wird das Kohlenwasserstoffmolekül aufgespalten und mit Sauerstoffatomen verbunden. Der für einen Motor nützliche Teil dieser Reaktion ist jedoch die freigesetzte Wärme. Die bei der Benzinverbrennung freigesetzte Wärme ist die relevante Eingangsenergie für den thermischen Wirkungsgrad.
Die abgegebene Energie bei der Wirkungsgradberechnung eines Motors ist nicht Wärme, sondern mechanische Arbeit. In der Physik ist Arbeit die Energiemenge, die von einer Kraft übertragen wird, die über eine Entfernung wirkt. Eine Kiste über einen bestimmten Abstand über einen Teppich zu schieben, erfordert eine begrenzte Menge an Arbeit; diese ist gleich dem Produkt aus der zurückgelegten Strecke und der durchschnittlich ausgeübten Kraft. Ebenso funktioniert ein Benzinmotor, wenn er die Räder eines Autos bewegt.
Bei einem Kühlschrank oder einer Klimaanlage ist das Wärme-Arbeits-Verhältnis umgekehrt. Das gewünschte Ergebnis in dieser Situation besteht darin, Wärme aus einem System abzuführen und an die Außenumgebung abzugeben. Der verfügbare Input ist daher mechanische Arbeit, die oft von einem elektrisch betriebenen Kompressor bereitgestellt wird. Um den Wirkungsgrad zu berechnen, muss jedoch immer noch die Ausgangsenergie durch die Eingangsenergie geteilt werden. Der Unterschied zu einem Benzinmotor besteht natürlich darin, dass die Leistung Wärme und die Leistung Arbeit ist.
Ein typischer Automobilmotor hat einen thermischen Wirkungsgrad von weniger als 35 %. Diese Zahl erscheint aus zwei wichtigen Gründen niedrig. Zunächst einmal gibt es eine theoretische Obergrenze für den thermischen Wirkungsgrad jeder Wärmekraftmaschine, die mit der Systemtemperatur gegenüber der Umgebungstemperatur zu tun hat. Je höher die Temperaturdifferenz, desto höher der maximale Wirkungsgrad, den ein idealer, reibungsfreier Motor erreichen kann. Dies wird als Carnot-Effizienz bezeichnet.
Der zweite Grund für einen scheinbar geringen Wirkungsgrad von Automotoren besteht darin, dass Motoren nicht auf ein ideales Verhalten eingestellt werden können. Reibung zwischen beweglichen Teilen neigt ständig dazu, den Motor zu verlangsamen. Ein Teil der Wärme entweicht aus der Brennkammer und wird für den Motor unbrauchbar. Kraftstoff verbrennt nicht immer bei der höchsten erreichten Temperatur, wodurch die freigesetzte Wärmemenge reduziert wird. Aus diesen Gründen liegt der thermische Wirkungsgrad in realen Geräten tendenziell weit unter 100 %.