Toplotna učinkovitost je merilo izhodne energije, deljeno z vhodno energijo v sistemu. Biti mora med 0 % in 100 %. Stopnja 100 % bi pomenila, da vsa energija, vložena v sistem, pride ven, čeprav v drugačni obliki. Toplotni motorji in hladilniki imajo tako povezano toplotno učinkovitost, čeprav poskušajo doseči nasprotne cilje. Termalni izkoristki v resničnem svetu na splošno padejo znatno pod 100 % zaradi različnih razlogov.
V bencinskem motorju je vhodna energija shranjena v kemičnih vezi ogljikovodikovega goriva. Molekula ogljikovodika je v celoti sestavljena iz vodika in ogljika. Ko se te molekule združijo s kisikom, lahko kemično reagirajo in tvorijo ogljikov monoksid in vodo; v bistvu se molekula ogljikovodika razcepi in združi z atomi kisika. Del te reakcije, ki je uporaben za motor, pa je toplota, ki se sprošča. Toplota, ki se sprosti pri zgorevanju bencina, je pomembna vhodna energija pri toplotni učinkovitosti.
Izhodna energija pri izračunu učinkovitosti motorja ni toplota, temveč mehansko delo. V fiziki je delo količina energije, ki jo prenese sila, ki deluje na razdaljo. Potiskanje škatle čez preprogo na določeno razdaljo zahteva končno količino dela; ta je enak zmnožku premaknjene razdalje in povprečne uporabljene sile. Na enak način deluje bencinski motor, ko premika kolesa avtomobila.
V primeru hladilnika ali klimatske naprave je razmerje toplote in dela obrnjeno. Želeni rezultat v tej situaciji je odstranitev toplote iz sistema in njeno odlaganje v zunanje okolje. Razpoložljivi vhod je torej mehansko delo, ki ga pogosto zagotavlja kompresor na električni pogon. Izračun učinkovitosti pa še vedno zahteva deljenje izhodne energije z vhodno energijo. Razlika od bencinskega motorja je seveda v tem, da je izhod toplota, vhod pa delo.
Tipičen avtomobilski motor ima toplotni izkoristek manj kot 35 %. Ta številka se zdi nizka iz dveh pomembnih razlogov. Prvič, obstaja teoretična zgornja meja toplotne učinkovitosti katerega koli toplotnega motorja, ki je povezana s temperaturo sistema v primerjavi s temperaturo okolja. Višja kot je razlika v temperaturi, večji je največji izkoristek, ki ga lahko doseže idealen motor brez trenja. To se imenuje Carnotova učinkovitost.
Drugi razlog, zakaj imajo avtomobilski motorji očitno nizek izkoristek, je ta, da motorjev ni mogoče narediti, da bi se obnašali na idealen način. Trenje med gibljivimi deli nenehno upočasnjuje motor. Nekaj toplote uide iz zgorevalne komore in postane neuporabno za motor. Gorivo ne gori vedno pri najvišji doseženi temperaturi, kar zmanjša količino sproščene toplote. Zaradi teh razlogov je toplotna učinkovitost v napravah v resničnem svetu precej pod 100%.