Toplinska učinkovitost je mjera izlazne energije podijeljene s ulaznom energijom u sustavu. Mora biti između 0% i 100%. Razina od 100% značila bi da sva energija uložena u sustav izlazi, iako u drugom obliku. Toplinski motori i hladnjaci imaju pridruženu toplinsku učinkovitost, iako pokušavaju postići suprotne ciljeve. Stvarna toplinska učinkovitost općenito pada značajno ispod 100% zbog raznih razloga.
U benzinskom motoru, ulazna energija je pohranjena u kemijskim vezama ugljikovodika goriva. Molekula ugljikovodika se u potpunosti sastoji od vodika i ugljika. Kada se te molekule spoje s kisikom, mogu kemijski reagirati i stvoriti ugljični monoksid i vodu; u biti, molekula ugljikovodika se dijeli i spaja s atomima kisika. Međutim, dio ove reakcije koji je koristan za motor je toplina koja se oslobađa. Toplina oslobođena izgaranjem benzina relevantna je ulazna energija u toplinskoj učinkovitosti.
Izlazna energija u proračunu učinkovitosti motora nije toplina, već mehanički rad. U fizici, rad je količina energije koju prenosi sila koja djeluje na udaljenosti. Guranje kutije preko tepiha na određenu udaljenost zahtijeva ograničenu količinu posla; to je jednako umnošku pomaknute udaljenosti i prosječne sile. Na isti način, benzinski motor radi kada pomiče kotače automobila.
U slučaju hladnjaka ili klima uređaja, odnos topline i rada je obrnut. Željeni rezultat u ovoj situaciji je uklanjanje topline iz sustava i ispuštanje u vanjski okoliš. Dostupni ulaz, dakle, je mehanički rad, koji često osigurava kompresor na električni pogon. Međutim, izračunavanje učinkovitosti još uvijek zahtijeva dijeljenje izlazne energije s ulaznom energijom. Razlika od benzinskog motora, naravno, je u tome što je izlaz toplina, a ulaz rad.
Tipični automobilski motor ima toplinsku učinkovitost manju od 35%. Čini se da je ovaj broj nizak iz dva važna razloga. Prije svega, postoji teoretska gornja granica toplinske učinkovitosti bilo kojeg toplinskog motora koja ima veze s temperaturom sustava u odnosu na temperaturu okoline. Što je veća razlika u temperaturi, idealan motor bez trenja može postići veću maksimalnu učinkovitost. To se zove Carnotova učinkovitost.
Drugi razlog zašto automobilski motori imaju očito nisku učinkovitost je taj što se motori ne mogu natjerati da se ponašaju na idealan način. Trenje između pokretnih dijelova stalno ima tendenciju usporavanja motora. Dio topline izlazi iz komore za izgaranje i postaje beskorisno za motor. Gorivo ne gori uvijek na najvišoj postignutoj temperaturi, smanjujući količinu oslobođene topline. Iz tih razloga, toplinska učinkovitost u stvarnim uređajima obično je daleko ispod 100%.