Carnotov toplotni cikel, bolj pravilno imenovan Carnotov cikel, je idealiziran termodinamični cikel, ki se uporablja za določitev največje možne učinkovitosti toplotnega motorja, ki deluje med dvema danima temperaturama. Uporablja se za teoretične namene, vendar dejansko ne more delovati v fizičnih sistemih. Čeprav bi teoretično lahko zgradili motor, ki deluje skoraj največjega izkoristka, je prenos toplote v ciklu prepočasen, da bi bil praktičen sistem. Glavna vrednost Carnotovega cikla je v vzpostavitvi največjega izkoristka za druge vrste toplotnih motorjev.
Pri konstruiranju Carnotovega toplotnega cikla sta narejeni dve predpostavki, da se zagotovi največja možna učinkovitost – vsi procesi so reverzibilni in ni sprememb v entropiji. Reverzibilni proces je tisti, ki ga je mogoče vrniti v prvotno stanje brez izgube energije. Entropija je količina energije v sistemu, ki ni na voljo za delo. Po drugem zakonu termodinamike se mora količina entropije v sistemu povečati ali ostati enaka, ko pride do procesa. Nobene od teh predpostavk ni mogoče izpolniti v naravnih razmerah, so pa uporabne pri določanju največje učinkovitosti.
V Carnotovem toplotnem ciklu se ponovijo štirje procesi. Prva je izotermična ekspanzija. „Izotermična“ pomeni, da temperatura ostane enaka ves čas postopka. Obseg se med tem poveča in tlak zmanjša, sistemu pa se doda energija.
Naslednji proces je znan kot adiabatna ekspanzija. Pri adiabatnih procesih sistem ne pridobi ali izgubi toplote. Spremembe temperature nastanejo zaradi sprememb tlaka in prostornine. V tem posebnem koraku se tlak zmanjša, volumen pa poveča, da se temperatura zniža.
Tretja je izotermična kompresija. Med tem procesom se tlak poveča in volumen zmanjša, energija pa se odstrani iz sistema. Končno se izvede adiabatna kompresija, da se sistem vrne v prvotno stanje. Tlak se poveča, volumen pa zmanjša, da se poveča temperatura.
Zaradi predpostavke, da med Carnotovim ciklom ni sprememb entropije, bi ga lahko izvajali neskončno in ohranili enako količino energije vsakič, ko se vrne v prvotno stanje. Tudi v tem idealiziranem sistemu je še vedno nekaj entropije, kar pomeni, da ne more biti 100-odstotno učinkovit. Dejanski izkoristek Carnotovega toplotnega cikla se lahko izračuna z uporabo njegovih najvišjih in najnižjih temperatur na absolutni ali Kelvinovi (K) temperaturni lestvici. V tej enačbi se najnižja temperatura odšteje od najvišje, to število pa se nato deli z najvišjo temperaturo.