Termisk verkningsgrad är ett mått på den utgående energin dividerad med den ingående energin i ett system. Det måste vara mellan 0 % och 100 %. En nivå på 100% skulle innebära att all energi som läggs in i ett system kommer ut, om än i en annan form. Värmemotorer och kylskåp har båda tillhörande termisk effektivitet, även om de försöker uppnå motsatta mål. Den verkliga termiska effektiviteten sjunker i allmänhet betydligt under 100 % på grund av en mängd olika anledningar.
I en bensinmotor lagras ingående energi i de kemiska bindningarna i ett kolvätebränsle. En kolvätemolekyl består helt och hållet av väte och kol. När dessa molekyler kombineras med syre kan de reagera kemiskt och bilda kolmonoxid och vatten; i huvudsak delas kolvätemolekylen upp och kombineras med syreatomer. Den del av denna reaktion som är användbar för en motor är dock värmen som frigörs. Värme som frigörs från bensinförbränning är den relevanta tillförda energin i termisk verkningsgrad.
Utgångsenergin i verkningsgradsberäkningen av en motor är inte värme, utan mekaniskt arbete. Inom fysiken är arbete den mängd energi som överförs av en kraft som verkar över ett avstånd. Att skjuta en låda över mattan ett visst avstånd kräver en ändlig mängd arbete; detta är lika med produkten av den förflyttade sträckan och medelkraften som utövas. På samma sätt fungerar en bensinmotor när den rör hjulen på en bil.
När det gäller ett kylskåp eller luftkonditionering är förhållandet mellan värme och arbete omvänt. Det önskade resultatet i denna situation är att ta bort värme från ett system och dumpa det i den yttre miljön. Den tillgängliga ingången är därför mekaniskt arbete, som ofta tillhandahålls av en elektriskt driven kompressor. Att beräkna verkningsgraden kräver dock fortfarande att man dividerar den utgående energin med den ingående energin. Skillnaden mot en bensinmotor är förstås att effekten är värme och inmatningen är arbete.
En typisk bilmotor har en termisk verkningsgrad på mindre än 35 %. Denna siffra verkar låg av två viktiga skäl. Först och främst finns det en teoretisk övre gräns för den termiska verkningsgraden för en värmemotor som har att göra med systemtemperaturen kontra omgivningstemperaturen. Ju högre temperaturskillnaden är, desto högre maximal verkningsgrad kan en idealisk, friktionsfri motor uppnå. Detta kallas Carnot-effektiviteten.
Den andra anledningen till att bilmotorer har en uppenbarligen låg verkningsgrad är att motorer inte kan fås att bete sig på ett idealiskt sätt. Friktion mellan rörliga delar tenderar ständigt att sakta ner motorn. En del värme kommer ut från förbränningskammaren och blir värdelös för motorn. Bränsle brinner inte alltid vid den högsta uppnådda temperaturen, vilket minskar mängden värme som frigörs. Av dessa skäl tenderar den termiska effektiviteten i verkliga enheter att vara långt under 100 %.