Tepelný stroj je cyklicky pracující soustava, která část energie dokáže přeměnit v mechanickou práci. Prvním tepelným strojem byl parní stroj, který se začal využívat v 19. století. Schematicky můžeme tepelný stroj znázornit takto:

• Teplo Q_1 je přiváděno z ohřívače.
• Teplo Q_2 je odváděno do chladiče.
• Vykonaná práce: W
• Účinnost tepelného stroje obecně spočítáme
  \eta = \frac{Q_1-Q_2}{Q_1} = 1-\frac{Q_2}{Q_1} = \frac{W}{Q_1}
  (může nabývat hodnot mezi 0 a 1)
• Vykonaná práce je dána plochou ohraničenou v pV diagramu.

Carnotův cyklus

Nejefektivnější tepelný stroj je popsán Carnotovým cyklem. Tento cyklus sestává ze čtyř dějů: 1. izotermická expanze, 2. adiabatická expanze, 3. izotermická komprese, 4. adiabatická komprese. Účinnost Carnotova cyklu je rovna: \eta = 1 - \frac{T_2}{T_1}.