Ciclul Carnot este un ciclu termodinamic idealizat care descrie un motor termic perfect. Toate motoarele termice reale sunt aproximări imperfecte ale perfecțiunii teoretice întruchipate de ciclul Carnot. În ciclul Carnot, nu toată energia termică este convertită în lucru mecanic, dar o mare parte este – cea mai mare parte permisă de legea fizică.
Un motor termic produce lucru din diferența de temperatură a două rezervoare. Într-un motor cu ardere, un rezervor este căldura creată în interiorul motorului (sursă), iar celălalt este împrejurimile exterioare (chiuveta). Căldura generată de sursă face ca gazul din interiorul cilindrului să se extindă, antrenând un piston care funcționează. Starea termodinamică a gazului — în expansiune, dar cu o temperatură constantă — se numește izotermă.
În cele din urmă, sursa de căldură este îndepărtată și gazul încetează să se extindă atât de repede. Dacă căldura ar fi menținută continuu, cilindrul ar exploda. Gazul începe să piardă din temperatură pe măsură ce atinge volumul maxim și nu mai lucrează la piston. Aceasta se numește expansiune adiabatică a gazului. Apoi pistonul inversează cursul, comprimând gazul, până când acesta începe să atingă o temperatură maximă și rezistență fizică datorită căldurii pe care o conține, punând sistemul din nou în starea de pornire. Apoi ciclul începe din nou.
Există multe tipuri diferite de motoare termice. Toate lucrează pe gradientul de temperatură familiar dintre o sursă și o chiuvetă. Pentru a maximiza eficiența motoarelor termice, acestea trebuie să fie bine izolate. În majoritatea motoarelor folosite astăzi, gazul rămâne un gaz pe tot parcursul ciclului, dar în motoarele cu abur, are loc o schimbare de fază între lichid și gaz.
Într-un ciclu Carnot perfect, toți cei patru pași au loc foarte lent, pentru a minimiza entropia, sau ireversibilitatea termodinamică, creată de proces. În realitate, pașii progresează rapid, iar entropia este generată, ceea ce înseamnă că ciclul nu poate continua pentru totdeauna. Pereții cilindrului se degradează, căldura din interiorul motorului se pierde în mediul extern și așa mai departe. Ciclul Carnot poate fi rulat invers pentru a crea un frigider.