Ο κύκλος Carnot είναι ένας εξιδανικευμένος θερμοδυναμικός κύκλος που περιγράφει μια τέλεια μηχανή θερμότητας. Όλες οι πραγματικές θερμικές μηχανές είναι ατελείς προσεγγίσεις της θεωρητικής τελειότητας που ενσωματώνει ο κύκλος Carnot. Στον κύκλο Carnot, δεν μετατρέπεται όλη η θερμική ενέργεια σε μηχανικό έργο, αλλά ένα μεγάλο μέρος είναι — το μεγαλύτερο μέρος που επιτρέπεται από τον φυσικό νόμο.
Ένας θερμικός κινητήρας παράγει έργο από τη διαφορά θερμοκρασίας δύο δεξαμενών. Σε μια μηχανή εσωτερικής καύσης, η μία δεξαμενή είναι η θερμότητα που δημιουργείται μέσα στον κινητήρα (πηγή) και η άλλη είναι το εξωτερικό περιβάλλον (νεροχύτης). Η θερμότητα που παράγεται από την πηγή προκαλεί διαστολή του αερίου μέσα στον κύλινδρο, οδηγώντας ένα έμβολο που λειτουργεί. Η θερμοδυναμική κατάσταση του αερίου — διαστελλόμενη, αλλά με σταθερή θερμοκρασία — ονομάζεται ισοθερμική.
Τελικά η πηγή θερμότητας αφαιρείται και το αέριο σταματά να διαστέλλεται τόσο γρήγορα. Εάν η θερμότητα διατηρηθεί συνεχώς, ο κύλινδρος θα εκραγεί. Το αέριο αρχίζει να χάνει θερμοκρασία καθώς φτάνει στο μέγιστο όγκο του και δεν λειτουργεί πλέον στο έμβολο. Αυτό ονομάζεται αδιαβατική διαστολή του αερίου. Στη συνέχεια, το έμβολο αντιστρέφει την πορεία του, συμπιέζοντας το αέριο, έως ότου αρχίσει να φτάνει σε μέγιστη θερμοκρασία και φυσική αντίσταση λόγω της θερμότητας που περιέχει, επαναφέροντας το σύστημα στην αρχική του κατάσταση. Τότε ο κύκλος ξεκινά ξανά.
Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι θερμικών μηχανών. Όλα λειτουργούν στη γνωστή κλίση θερμοκρασίας μεταξύ μιας πηγής και ενός νεροχύτη. Για να μεγιστοποιηθεί η απόδοση των θερμικών μηχανών, πρέπει να είναι καλά μονωμένοι. Στις περισσότερες μηχανές που χρησιμοποιούνται σήμερα, το αέριο παραμένει αέριο καθ’ όλη τη διάρκεια του κύκλου, αλλά στις ατμομηχανές, συμβαίνει μια αλλαγή φάσης μεταξύ υγρού και αερίου.
Σε έναν τέλειο κύκλο Carnot, και τα τέσσερα βήματα συμβαίνουν πολύ αργά, για να ελαχιστοποιηθεί η εντροπία ή η θερμοδυναμική μη αναστρεψιμότητα που δημιουργείται από τη διαδικασία. Στην πραγματικότητα, τα βήματα προχωρούν γρήγορα και δημιουργείται εντροπία, που σημαίνει ότι ο κύκλος δεν μπορεί να συνεχιστεί για πάντα. Τα τοιχώματα του κυλίνδρου υποβαθμίζονται, η θερμότητα από το εσωτερικό του κινητήρα χάνεται στο εξωτερικό περιβάλλον κ.λπ. Ο κύκλος Carnot μπορεί να εκτελεστεί αντίστροφα για να δημιουργήσετε ένα ψυγείο.