Carnotov ciklus je idealizirani termodinamički ciklus koji opisuje savršeni toplinski stroj. Svi pravi toplinski strojevi su nesavršene aproksimacije teoretskog savršenstva koje utjelovljuje Carnotov ciklus. U Carnotovom ciklusu ne pretvara se sva toplinska energija u mehanički rad, ali je veliki dio — najveći dio dopušten fizikalnim zakonom.
Toplinski stroj proizvodi rad iz temperaturne razlike dvaju rezervoara. U motoru s unutarnjim izgaranjem, jedan rezervoar je toplina stvorena unutar motora (izvor), a drugi je vanjska okolina (umivaonik). Toplina koju stvara izvor uzrokuje širenje plina unutar cilindra, pokrećući klip koji radi. Termodinamičko stanje plina – širenje, ali s konstantnom temperaturom – naziva se izotermno.
Na kraju se izvor topline uklanja i plin se prestaje tako brzo širiti. Ako bi se toplina održavala neprekidno, cilindar bi eksplodirao. Plin počinje gubiti temperaturu kako dosegne svoj maksimalni volumen i više ne radi na klipu. To se zove adijabatsko širenje plina. Zatim klip mijenja smjer, komprimirajući plin, sve dok ne počne dostizati maksimalnu temperaturu i fizički otpor zbog topline koju sadrži, vraćajući sustav u svoje početno stanje. Tada ciklus počinje ponovno.
Postoji mnogo različitih vrsta toplinskih motora. Svi rade na poznatom temperaturnom gradijentu između izvora i sudopera. Kako bi se povećala učinkovitost toplinskih motora, oni moraju biti dobro izolirani. U većini motora koji se danas koriste, plin ostaje plin tijekom cijelog ciklusa, ali u parnim strojevima dolazi do promjene faze između tekućine i plina.
U savršenom Carnotovom ciklusu, sva četiri koraka odvijaju se vrlo sporo, kako bi se minimizirala entropija, ili termodinamička ireverzibilnost, stvorena procesom. U stvarnosti, koraci napreduju brzo, a entropija se stvara, što znači da ciklus ne može trajati zauvijek. Stjenke cilindra degradiraju, toplina iz unutrašnjosti motora se gubi u vanjsko okruženje i tako dalje. Carnotov ciklus može se pokrenuti u obrnutom smjeru kako bi se stvorio hladnjak.