Carnot-cykeln är en idealiserad termodynamisk cykel som beskriver en perfekt värmemotor. Alla riktiga värmemotorer är ofullkomliga approximationer av den teoretiska perfektion som Carnot-cykeln förkroppsligar. I Carnot-cykeln omvandlas inte all värmeenergi till mekaniskt arbete, men en stor del är – den största delen som tillåts enligt fysisk lag.
En värmemotor producerar arbete från temperaturskillnaden mellan två reservoarer. I en förbränningsmotor är en behållare värmen som skapas inuti motorn (källan), och den andra är den yttre omgivningen (sänkan). Värmen som genereras av källan får gasen inuti cylindern att expandera, vilket driver en kolv som fungerar. Det termodynamiska tillståndet hos gasen – expanderande, men med en konstant temperatur – kallas isotermisk.
Så småningom tas värmekällan bort och gasen slutar expandera så snabbt. Om värmen hölls på kontinuerligt skulle cylindern explodera. Gasen börjar tappa temperatur när den når sin maximala volym och inte längre jobbar på kolven. Detta kallas den adiabatiska expansionen av gasen. Sedan vänder kolven kursen och komprimerar gasen tills den börjar nå en maximal temperatur och fysiskt motstånd på grund av värmen den innehåller, vilket sätter systemet tillbaka till sitt starttillstånd. Sedan börjar cykeln igen.
Det finns många olika typer av värmemotorer. Allt fungerar på den välbekanta temperaturgradienten mellan en källa och ett handfat. För att maximera effektiviteten hos värmemotorer måste de vara välisolerade. I de flesta motorer som används idag förblir gasen en gas under hela cykeln, men i ångmotorer sker en fasförändring mellan vätska och gas.
I en perfekt Carnot-cykel sker alla fyra stegen mycket långsamt, för att minimera entropin, eller termodynamisk irreversibilitet, som skapas av processen. I verkligheten går stegen snabbt och entropi genereras, vilket betyder att cykeln inte kan fortsätta för evigt. Cylinderns väggar försämras, värme från motorns inre försvinner till yttre omgivningar och så vidare. Carnot-cykeln kan köras omvänt för att skapa ett kylskåp.