Sprawność cieplna jest miarą energii wyjściowej podzielonej przez energię wejściową w systemie. Musi wynosić od 0% do 100%. Poziom 100% oznaczałby, że cała energia włożona do systemu wychodzi, choć w innej formie. Silniki cieplne i lodówki mają powiązaną wydajność cieplną, chociaż starają się osiągnąć przeciwne cele. Rzeczywiste sprawności cieplne generalnie spadają znacznie poniżej 100% z różnych powodów.
W silniku benzynowym energia wejściowa jest magazynowana w wiązaniach chemicznych paliwa węglowodorowego. Cząsteczka węglowodoru składa się wyłącznie z wodoru i węgla. Kiedy te cząsteczki są połączone z tlenem, mogą reagować chemicznie i tworzyć tlenek węgla i wodę; w istocie cząsteczka węglowodoru jest rozdzielana i łączona z atomami tlenu. Jednak częścią tej reakcji, która jest użyteczna dla silnika, jest wydzielane ciepło. Ciepło uwolnione ze spalania benzyny jest odpowiednią energią wejściową w sprawność cieplną.
Energia wyjściowa w obliczeniach sprawności silnika to nie ciepło, ale praca mechaniczna. W fizyce praca to ilość energii przenoszonej przez siłę działającą na odległość. Przesuwanie pudła po dywanie na pewną odległość wymaga skończonej ilości pracy; jest to iloczyn przebytej odległości i średniej przyłożonej siły. W ten sam sposób silnik benzynowy działa, gdy porusza kołami samochodu.
W przypadku lodówki lub klimatyzatora stosunek pracy cieplnej jest odwrotny. Pożądanym rezultatem w tej sytuacji jest usunięcie ciepła z systemu i zrzucenie go do środowiska zewnętrznego. Dostępnym wkładem jest zatem praca mechaniczna, którą często zapewnia sprężarka zasilana elektrycznie. Obliczenie sprawności nadal jednak wymaga podzielenia energii wyjściowej przez energię wejściową. Różnica w stosunku do silnika benzynowego polega oczywiście na tym, że wyjście to ciepło, a wejście to praca.
Typowy silnik samochodowy ma sprawność cieplną poniżej 35%. Liczba ta wydaje się niska z dwóch ważnych powodów. Przede wszystkim istnieje teoretyczna górna granica sprawności cieplnej dowolnego silnika cieplnego, która ma związek z temperaturą systemu w stosunku do temperatury otoczenia. Im wyższa różnica temperatur, tym wyższa maksymalna wydajność, jaką może osiągnąć idealny, pozbawiony tarcia silnik. Nazywa się to efektywnością Carnota.
Drugim powodem, dla którego silniki samochodowe mają pozornie niską sprawność, jest to, że nie można sprawić, aby silniki zachowywały się w sposób idealny. Tarcie pomiędzy ruchomymi częściami stale spowalnia silnik. Część ciepła ucieka z komory spalania i staje się bezużyteczna dla silnika. Paliwo nie zawsze spala się w najwyższej osiągniętej temperaturze, co zmniejsza ilość wydzielanego ciepła. Z tych powodów sprawność cieplna w rzeczywistych urządzeniach jest zwykle znacznie poniżej 100%.