Carnotov toplinski ciklus, točnije nazvan Carnotov ciklus, idealizirani je termodinamički ciklus koji se koristi za određivanje najveće moguće učinkovitosti za toplinski stroj koji radi između dvije zadane temperature. Koristi se u teorijske svrhe, ali zapravo ne može djelovati u fizičkim sustavima. Iako bi se u teoriji mogao konstruirati motor koji radi blizu maksimalne učinkovitosti, prijenos topline u ciklusu je presporo da bi to bio praktičan sustav. Glavna vrijednost Carnotovog ciklusa leži u uspostavljanju maksimalne učinkovitosti za druge vrste toplinskih motora.
Prilikom konstruiranja Carnotovog toplinskog ciklusa napravljene su dvije pretpostavke, kako bi se dobila najveća moguća učinkovitost — svi su procesi reverzibilni i nema promjene entropije. Reverzibilni proces je onaj koji se može vratiti u prvobitno stanje bez gubitka energije. Entropija je količina energije u sustavu koja nije dostupna za rad. Prema drugom zakonu termodinamike, količina entropije u sustavu mora se povećati ili ostati ista kada se proces dogodi. Nijedna od ovih pretpostavki ne može se ispuniti u prirodnim uvjetima, ali su korisne u određivanju maksimalne učinkovitosti.
Četiri procesa se ponavljaju u Carnotovom toplinskom ciklusu. Prvi je izotermno širenje. ‘Izotermno’ znači da temperatura ostaje ista tijekom cijelog procesa. Volumen se tijekom toga povećava, a tlak smanjuje, a energija se dodaje u sustav.
Sljedeći proces poznat je kao adijabatsko širenje. U adijabatskim procesima sustav ne dobiva niti gubi toplinu. Promjene u temperaturi nastaju zbog promjena tlaka i volumena. Za ovaj konkretni korak, tlak se smanjuje, a volumen se povećava, kako bi se smanjila temperatura.
Treće je izotermna kompresija. Tijekom ovog procesa tlak raste, a volumen se smanjuje, a energija se uklanja iz sustava. Konačno, provodi se adijabatska kompresija kako bi se sustav vratio u prvobitno stanje. Tlak se povećava, a volumen se smanjuje kako bi se povećala temperatura.
Zbog pretpostavke da nema promjene entropije tijekom Carnotovog ciklusa, mogao bi se izvoditi beskonačno i održavati istu količinu energije svaki put kada se vrati u prvobitno stanje. Međutim, čak i u ovom idealiziranom sustavu još uvijek postoji nešto entropije, što znači da ne može biti 100% učinkovit. Stvarna učinkovitost Carnotovog toplinskog ciklusa može se izračunati korištenjem njegovih maksimalnih i minimalnih temperatura, na apsolutnoj ili Kelvin (K) temperaturnoj skali. U ovoj jednadžbi minimalna temperatura se oduzima od maksimalne, a zatim se taj broj dijeli s maksimalnom temperaturom.