Тепловой двигатель совершает работу за счет получаемого извне количества теплоты. Обычно в двигателе многократно повторяется один и тот же рабочий цикл. Механическая работа в двигателе совершается при расширении рабочего вещества, перемещающего поршень в цилиндре (или лопатку турбины). Для цикличной, непрерывной работы двигателя необходимо возвращение поршня в первоначальное положение, т. е. сжатие рабочего вещества. Рабочим веществом в тепловых двигателях служит газ или пар.

В тепловом двигателе периодически повторяются процессы расширения и сжатия газа. ,из циклов. При расширении газ совершает работу, при сжатии работа совершается над газом, например, за счет энергии, запасенной маховиком двигателя при расширении газа. Для получения положительной полной механической работы (A > 0) необходимо, чтобы работа сжатия газа была меньше работы расширения. Поскольку изменение объема газа при расширении и сжатии одинаково, давление газа при сжатии должно быть меньше его давления при расширении. При одном и том же объеме давление газа пропорционально его температуре, поэтому перед сжатием газ охлаждают (например, благодаря контакту с холодильником- телом, имеющим более низкую температуру T2), а перед расширением нагревают (нагревателем до температуры T1).

Итак, для получения механической работы при циклическом процессе в тепловом двигателе расширение газа происходит при более высокой температуре, чем сжатие, T1> T2. Количество теплоты Q1 получаемое двигателем за цикл от нагревателя (например, от парового котла), частично превращается в работу A. Некоторая часть количества теплоты, равная Q2, отдаётся холодильнику при охлаждении рабочего тела (в простейшем случае холодильником служит окружающая двигатель среда), см. рис. а. Если пренебречь другими потерями, то работа, совершаемая тепловой машиной за один цикл, равна A=Q1-Q2.  Для оценки эффективности преобразования внутренней энергии газа в механическую работу, совершаемую за цикл, вводится коэффициент полезного действия.
Коэффициент полезного действия теплового двигателя (КПД) равен отношению работы A, совершаемой двигателем за цикл, к количеству теплоты Q1, получаемой от нагревателя (тоже за цикл):

Сади Карно определил, при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД. Это цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Работа газа при изотермическом расширении совершается за счет внутренней энергии нагревателя, а при адиабатном расширении - за счет внутренней энергии расширяющегося газа. В этом цикле практически исключён контакт тел с разной температурой, т. е. исключена теплопередача (потеря тепла) без совершения работы. Рассмотрим процессы в цикле Карно (рис. а). В процессе изотермического расширения 1→2 при температуре T1 работа совершается за счет внутренней энергии нагревателя. Охлаждение газа (перед сжатием 3→ 4) происходит при адиабатном расширении 2→3. Механическая работа совершается за счёт внутренней энергии газа (Q = 0), температура газа в процессе 2→3 понижается до температуры холодильника T2 < T1. В процессе 3→ 4 газ изотермически сжимается, передавая холодильнику количество теплоты Q2. Цикл завершается процессом адиабатного сжатия 4→ 1 (Q = 0), при котором газ нагревается до температуры T1. КПД теплового двигателя не может превзойти («идеального») КПД цикла Карно, равного
  где T1- температура нагревателя, T2- температура холодильника.

Рис.а) Цикл Карно. Синим цветом показаны изотермы. T1- температура нагревателя,  T2-  температура холодильника. Процессы 23 и 41- адиабаты, служащие для того, чтобы устранить контакт тел с различными температурами. Площадь криволинейного четырёхугольника 1234 равна работе A. б) Упрощенная pV-диаграмме работы четырёхтактного двигателя. Впуск 1→ 2- горючая смесь при атмосферном давлении p0 входит в цилиндр, сжатие 2→ 3- адиабатное сжатие смеси, сгорание топлива 3→ 4, рабочий ход 4→ 5- адиабатное расширение продуктов сгорания, 5→ 2- открытие выпускного клапана, 2→ 1- выпуск.