El ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico idealizado que describe una máquina térmica perfecta. Todas las máquinas térmicas reales son aproximaciones imperfectas de la perfección teórica encarnada por el ciclo de Carnot. En el ciclo de Carnot, no toda la energía térmica se convierte en trabajo mecánico, pero una gran parte sí lo es, la mayor parte permitida por la ley física.
Una máquina térmica produce trabajo a partir del diferencial de temperatura de dos depósitos. En un motor de combustión, un depósito es el calor creado dentro del motor (fuente) y el otro es el entorno externo (sumidero). El calor generado por la fuente hace que el gas dentro del cilindro se expanda, impulsando un pistón que sí funciona. El estado termodinámico del gas, en expansión, pero con una temperatura constante, se llama isotérmico.
Finalmente, la fuente de calor se elimina y el gas deja de expandirse tan rápidamente. Si el calor se mantuviera encendido continuamente, el cilindro explotaría. El gas comienza a perder temperatura a medida que alcanza su volumen máximo y ya no trabaja en el pistón. A esto se le llama expansión adiabática del gas. Luego, el pistón invierte el curso comprimiendo el gas, hasta que comienza a alcanzar una temperatura máxima y resistencia física debido al calor que contiene, devolviendo el sistema a su estado inicial. Entonces el ciclo comienza de nuevo.
Hay muchos tipos diferentes de motores térmicos. Todos trabajan en el conocido gradiente de temperatura entre una fuente y un sumidero. Para maximizar la eficiencia de los motores térmicos, deben estar bien aislados. En la mayoría de los motores que se utilizan hoy en día, el gas sigue siendo un gas durante todo el ciclo, pero en los motores de vapor se produce un cambio de fase entre líquido y gas.
En un ciclo de Carnot perfecto, los cuatro pasos ocurren muy lentamente, para minimizar la entropía, o irreversibilidad termodinámica, creada por el proceso. En realidad, los pasos avanzan rápidamente y se genera entropía, lo que significa que el ciclo no puede continuar para siempre. Las paredes del cilindro se degradan, el calor del interior del motor se pierde en el entorno externo, etc. El ciclo de Carnot se puede ejecutar a la inversa para crear un refrigerador.