Carnotov cikel je idealiziran termodinamični cikel, ki opisuje popoln toplotni motor. Vsi pravi toplotni motorji so nepopolni približki teoretične popolnosti, ki jo uteleša Carnotov cikel. V Carnotovem ciklu se vsa toplotna energija ne pretvori v mehansko delo, vendar je velik del — največji del, ki ga dovoljuje fizikalni zakon.
Toplotni motor proizvaja delo iz temperaturne razlike dveh rezervoarjev. Pri motorju z notranjim zgorevanjem je en rezervoar toplota, ustvarjena znotraj motorja (vir), drugi pa je zunanja okolica (ponor). Toplota, ki jo ustvari vir, povzroči, da se plin v cilindru razširi, kar poganja bat, ki deluje. Termodinamično stanje plina, ki se širi, vendar s konstantno temperaturo, se imenuje izotermično.
Sčasoma se vir toplote odstrani in plin se neha tako hitro širiti. Če bi toploto ohranjali neprekinjeno, bi jeklenka eksplodirala. Plin začne izgubljati temperaturo, ko doseže največjo prostornino in ne dela več na batu. Temu pravimo adiabatna ekspanzija plina. Nato bat obrne smer in stisne plin, dokler ne začne dosegati največje temperature in fizičnega upora zaradi toplote, ki jo vsebuje, s čimer se sistem vrne v začetno stanje. Nato se cikel začne znova.
Obstaja veliko različnih vrst toplotnih motorjev. Vsi delajo na znanem temperaturnem gradientu med virom in umivalnikom. Da bi povečali učinkovitost toplotnih motorjev, morajo biti dobro izolirani. V večini motorjev, ki se danes uporabljajo, ostane plin plin skozi ves cikel, pri parnih strojih pa pride do spremembe faze med tekočino in plinom.
V popolnem Carnotovem ciklu se vsi štirje koraki zgodijo zelo počasi, da se zmanjša entropija ali termodinamična ireverzibilnost, ki jo ustvari proces. V resnici koraki napredujejo hitro in entropija se ustvari, kar pomeni, da cikel ne more trajati večno. Stene cilindra se razgradijo, toplota iz notranjosti motorja se izgubi v zunanjo okolico itd. Carnotov cikel se lahko izvaja v obratni smeri, da ustvarite hladilnik.