Eficiența termică este o măsură a energiei de ieșire împărțită la energia de intrare într-un sistem. Trebuie să fie între 0% și 100%. Un nivel de 100% ar însemna că toată energia introdusă într-un sistem iese, deși într-o formă diferită. Motoarele termice și frigiderele au eficiențe termice asociate, deși încearcă să atingă obiective opuse. Eficiența termică din lumea reală scad în general semnificativ sub 100% din mai multe motive.
Într-un motor pe benzină, energia de intrare este stocată în legăturile chimice ale unui combustibil cu hidrocarburi. O moleculă de hidrocarbură este formată în întregime din hidrogen și carbon. Când aceste molecule sunt combinate cu oxigenul, ele pot reacționa chimic și pot forma monoxid de carbon și apă; în esență, molecula de hidrocarbură este divizată și combinată cu atomi de oxigen. Totuși, partea acestei reacții care este utilă unui motor este căldura care este eliberată. Căldura eliberată din arderea benzinei este energia de intrare relevantă în eficiența termică.
Energia de ieșire în calculul eficienței unui motor nu este căldură, ci lucru mecanic. În fizică, munca este cantitatea de energie transferată de o forță care acționează pe distanță. Împingerea unei cutii peste covor la o anumită distanță necesită o cantitate finită de muncă; aceasta este egală cu produsul dintre distanța parcursă și forța medie exercitată. În același mod, un motor pe benzină funcționează atunci când mișcă roțile unei mașini.
În cazul unui frigider sau aparat de aer condiționat, relația căldură-muncă este inversată. Rezultatul dorit în această situație este eliminarea căldurii dintr-un sistem și aruncarea acesteia în mediul exterior. Prin urmare, intrarea disponibilă este lucrul mecanic, care este adesea asigurat de un compresor alimentat electric. Calcularea eficienței, totuși, necesită încă împărțirea energiei de ieșire la energia de intrare. Diferența față de un motor pe benzină, desigur, este că ieșirea este căldură și intrarea este muncă.
Un motor tipic de automobile are o eficiență termică mai mică de 35%. Acest număr pare scăzut din două motive importante. În primul rând, există o limită superioară teoretică a eficienței termice a oricărui motor termic care are legătură cu temperatura sistemului față de temperatura mediului. Cu cât diferența de temperatură este mai mare, cu atât eficiența maximă poate atinge un motor ideal, fără frecare. Aceasta se numește eficiență Carnot.
Al doilea motiv pentru care motoarele auto au o eficiență aparent scăzută este că motoarele nu pot fi făcute să se comporte într-un mod ideal. Frecarea dintre piesele în mișcare tinde în mod constant să încetinească motorul. O parte de căldură scapă din camera de ardere și devine inutilă pentru motor. Combustibilul nu arde întotdeauna la cea mai mare temperatură atinsă, reducând cantitatea de căldură degajată. Din aceste motive, eficiența termică a dispozitivelor din lumea reală tinde să fie cu mult sub 100%.