La eficiencia térmica es una medida de la energía de salida dividida por la energía de entrada en un sistema. Debe estar entre 0% y 100%. Un nivel del 100% significaría que toda la energía puesta en un sistema sale, aunque en una forma diferente. Tanto los motores térmicos como los refrigeradores tienen eficiencias térmicas asociadas, aunque están tratando de lograr objetivos opuestos. Las eficiencias térmicas del mundo real generalmente caen significativamente por debajo del 100% debido a una variedad de razones.
En un motor de gasolina, la energía de entrada se almacena en los enlaces químicos de un combustible de hidrocarburo. Una molécula de hidrocarburo se compone enteramente de hidrógeno y carbono. Cuando estas moléculas se combinan con oxígeno, pueden reaccionar químicamente y formar monóxido de carbono y agua; en esencia, la molécula de hidrocarburo se divide y se combina con átomos de oxígeno. Sin embargo, la parte de esta reacción que es útil para un motor es el calor que se libera. El calor liberado por la combustión de gasolina es la energía de entrada relevante en la eficiencia térmica.
La energía de salida en el cálculo de la eficiencia de un motor no es calor, sino trabajo mecánico. En física, el trabajo es la cantidad de energía transferida por una fuerza que actúa a distancia. Empujar una caja sobre una alfombra a cierta distancia requiere una cantidad limitada de trabajo; esto es igual al producto de la distancia recorrida y la fuerza promedio ejercida. De la misma manera, un motor de gasolina funciona cuando mueve las ruedas de un automóvil.
En el caso de un refrigerador o aire acondicionado, la relación calor-trabajo se invierte. El resultado deseado en esta situación es eliminar el calor de un sistema y verterlo en el ambiente exterior. La entrada disponible, por lo tanto, es trabajo mecánico, que a menudo es proporcionado por un compresor accionado eléctricamente. Sin embargo, calcular la eficiencia aún requiere dividir la energía de salida por la energía de entrada. La diferencia con un motor de gasolina, por supuesto, es que la salida es calor y la entrada es trabajo.
Un motor de automóvil típico tiene una eficiencia térmica de menos del 35%. Este número parece bajo por dos razones importantes. En primer lugar, existe un límite superior teórico en la eficiencia térmica de cualquier motor térmico que tiene que ver con la temperatura del sistema frente a la temperatura ambiente. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, mayor será la eficiencia máxima que puede alcanzar un motor ideal sin fricción. Esto se llama eficiencia de Carnot.
La segunda razón por la que los motores de los automóviles tienen una eficiencia aparentemente baja es que no se puede hacer que los motores se comporten de manera ideal. La fricción entre las partes móviles tiende constantemente a ralentizar el motor. Algo de calor se escapa de la cámara de combustión y se vuelve inútil para el motor. El combustible no siempre se quema a la temperatura más alta alcanzada, lo que reduce la cantidad de calor liberado. Por estas razones, la eficiencia térmica en los dispositivos del mundo real tiende a estar muy por debajo del 100%.