Ο κύκλος θερμότητας Carnot, πιο σωστά ονομάζεται κύκλος Carnot, είναι ένας εξιδανικευμένος θερμοδυναμικός κύκλος που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της μέγιστης δυνατής απόδοσης για μια θερμική μηχανή που λειτουργεί μεταξύ δύο δεδομένων θερμοκρασιών. Χρησιμοποιείται για θεωρητικούς σκοπούς, αλλά στην πραγματικότητα δεν μπορεί να λειτουργήσει σε φυσικά συστήματα. Αν και, θεωρητικά, ένας κινητήρας θα μπορούσε να κατασκευαστεί με σχεδόν μέγιστη απόδοση, η μεταφορά θερμότητας στον κύκλο είναι πολύ αργή για να είναι ένα πρακτικό σύστημα. Η κύρια αξία του κύκλου Carnot έγκειται στον καθορισμό της μέγιστης απόδοσης για άλλους τύπους θερμικών μηχανών.
Για την κατασκευή του κύκλου θερμότητας Carnot γίνονται δύο υποθέσεις, για να του δοθεί η μέγιστη δυνατή απόδοση — όλες οι διαδικασίες είναι αναστρέψιμες και δεν υπάρχει αλλαγή στην εντροπία. Μια αναστρέψιμη διαδικασία είναι αυτή που μπορεί να επιστρέψει στην αρχική της κατάσταση χωρίς απώλεια ενέργειας. Η εντροπία είναι η ποσότητα ενέργειας σε ένα σύστημα που δεν είναι διαθέσιμη για εργασία. Σύμφωνα με τον δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο, το ποσό της εντροπίας σε ένα σύστημα πρέπει να αυξάνεται ή να παραμένει το ίδιο όταν συμβαίνει μια διεργασία. Καμία από αυτές τις παραδοχές δεν μπορεί να εκπληρωθεί υπό φυσικές συνθήκες, αλλά είναι χρήσιμες για τον προσδιορισμό της μέγιστης απόδοσης.
Τέσσερις διεργασίες επαναλαμβάνονται σε έναν κύκλο θερμότητας Carnot. Το πρώτο είναι μια ισοθερμική διαστολή. «Ισοθερμικό» σημαίνει ότι η θερμοκρασία παραμένει η ίδια καθ’ όλη τη διάρκεια της διαδικασίας. Ο όγκος αυξάνεται και η πίεση μειώνεται κατά τη διάρκεια αυτού και προστίθεται ενέργεια στο σύστημα.
Η επόμενη διαδικασία είναι γνωστή ως αδιαβατική διαστολή. Στις αδιαβατικές διεργασίες, δεν κερδίζεται ούτε χάνεται θερμότητα από το σύστημα. Οι αλλαγές στη θερμοκρασία συμβαίνουν λόγω μεταβολών της πίεσης και του όγκου. Για αυτό το συγκεκριμένο βήμα, η πίεση μειώνεται και ο όγκος αυξάνεται, προκειμένου να μειωθεί η θερμοκρασία.
Τρίτον είναι μια ισοθερμική συμπίεση. Η πίεση αυξάνεται και ο όγκος μειώνεται κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας και η ενέργεια αφαιρείται από το σύστημα. Τέλος, πραγματοποιείται αδιαβατική συμπίεση για να επανέλθει το σύστημα στην αρχική του κατάσταση. Η πίεση αυξάνεται και ο όγκος μειώνεται για να αυξηθεί η θερμοκρασία.
Λόγω της υπόθεσης ότι δεν υπάρχει αλλαγή στην εντροπία κατά τη διάρκεια του κύκλου Carnot, θα μπορούσε να εκτελείται ατελείωτα και να διατηρεί την ίδια ποσότητα ενέργειας κάθε φορά που επέστρεφε στην αρχική του κατάσταση. Ωστόσο, υπάρχει ακόμα κάποια εντροπία ακόμη και σε αυτό το εξιδανικευμένο σύστημα, πράγμα που σημαίνει ότι δεν μπορεί να είναι 100% αποτελεσματικό. Η πραγματική απόδοση ενός κύκλου θερμότητας Carnot μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τις μέγιστες και ελάχιστες θερμοκρασίες του, στην κλίμακα θερμοκρασίας απόλυτης ή Kelvin (K). Σε αυτή την εξίσωση, η ελάχιστη θερμοκρασία αφαιρείται από τη μέγιστη και ο αριθμός αυτός διαιρείται στη συνέχεια με τη μέγιστη θερμοκρασία.