Siklus Carnot adalah siklus termodinamika ideal yang menggambarkan mesin panas yang sempurna. Semua mesin kalor nyata adalah perkiraan yang tidak sempurna dari kesempurnaan teoritis yang diwujudkan oleh siklus Carnot. Dalam siklus Carnot, tidak semua energi panas diubah menjadi kerja mekanik, tetapi sebagian besar adalah — bagian terbesar yang diizinkan oleh hukum fisika.
Sebuah mesin kalor menghasilkan kerja dari perbedaan suhu dua reservoir. Dalam mesin pembakaran, satu reservoir adalah panas yang dibuat di dalam mesin (sumber), dan yang lainnya adalah lingkungan luar (sink). Panas yang dihasilkan oleh sumber menyebabkan gas di dalam silinder memuai, menggerakkan piston yang bekerja. Keadaan termodinamika gas — mengembang, tetapi dengan suhu konstan — disebut isotermal.
Akhirnya sumber panas dihilangkan dan gas berhenti mengembang begitu cepat. Jika panas terus menerus, silinder akan meledak. Gas mulai kehilangan suhu saat mencapai volume maksimum dan tidak lagi bekerja pada piston. Ini disebut ekspansi adiabatik gas. Kemudian piston berbalik arah, mengompresi gas, sampai mulai mencapai suhu maksimum dan ketahanan fisik karena panas yang dikandungnya, menempatkan sistem kembali ke keadaan awalnya. Kemudian siklus dimulai lagi.
Ada banyak jenis mesin panas. Semua bekerja pada gradien suhu yang sudah dikenal antara sumber dan wastafel. Untuk memaksimalkan efisiensi mesin panas, mereka harus diisolasi dengan baik. Pada sebagian besar mesin yang digunakan saat ini, gas tetap menjadi gas sepanjang siklus, tetapi pada mesin uap, terjadi perubahan fase antara cair dan gas.
Dalam siklus Carnot yang sempurna, keempat langkah terjadi sangat lambat, untuk meminimalkan entropi, atau ireversibilitas termodinamika, yang diciptakan oleh proses tersebut. Pada kenyataannya, langkah-langkahnya berkembang dengan cepat, dan entropi dihasilkan, yang berarti siklus tidak dapat berlangsung selamanya. Dinding silinder menurun, panas dari bagian dalam mesin hilang ke lingkungan luar, dan seterusnya. Siklus Carnot dapat dijalankan secara terbalik untuk membuat lemari es.