Из всех возможных термодинамических циклов самым экономичным циклом с наиболее полным превращением теплоты в работу является цикл Карно, предложенный и теоретически разработанный французским инженером Сади Карно в 1824 г.

Рассмотрим прямой обратимый цикл Карно, который состоит из четырех обратимых процессов (двух изотермических и двух адиабатных).

На  25 показана диаграмма цикла в координатах р-V. Помимо рабочего тела, заключенного в цилиндре, и аккумулятора механической энергии для осуществления цикла необходимо иметь два тепловых аккумулятора. Один из них — аккумулятор А имеет более высокую постоянную температуру  — const), а другой-аккумулятор Б — более низкую температуру (Т2 — const). В соответствующие периоды цикла рабочее тело может получать теплоту от аккумулятора А или отдавать теплоту аккумулятору Б.

Для обеспечения обратимости необходимо вести цикл бесконечно медленно. За начальное состояние примем точку. При этом поршень находится в крайнем левом положении, газ сжат до давления рх и имеет температуру, равную температуре аккумулятора А.

Цикл осуществляется следующим образом. Рабочее тело вводится в контакт с аккумулятором с более высокой температурой, при перемещении поршня вправо осуществляется процесс изотермического расширения (линия 1-. В течение этого процесса к рабочему телу от аккумулятора А подводится теплота Qt и совершается эквивалентная этой теплоте внешняя работа. По достижении точки 2 рабочее тело выводится из контакта с горячим источником и оказывается в условиях адиабатного расширения. Процесс осуществляется до тех пор, пока температура рабочего тела не понизится до температуры Т2 (точка . В процессе адиабатного расширения (линия 2- работа совершается за счет уменьшения внутренней энергии рабочего тела.

Для возвращения рабочего тела в начальное состояние с процессами расширения сочетаются два процесса сжатия. В точке 3 газ вводится в контакт с холодильником, и при бесконечно медленном перемещении поршня из крайнего правого положения влево осуществляется процесс изотермического сжатия (линия 3-, в течение которого от газа в холодильник отводится теплота в количестве Q2, эквивалентном работе, затраченной в этом процессе на сжатие. В точке 4 холодный источник отсоединяется, и процессом адиабатного сжатия (линия 4- рабочее тело возвращается в начальное состояние. Работа, затраченная на сжатие, идет на увеличение внутренней энергии рабочего тела.

Рассматривая цикл Карно, убеждаемся, что для обеспечения преобразования теплоты в работу термодинамическая система тел должна иметь два тепловых аккумулятора: аккумулятор с высокой температурой, от которого рабочее тело получает некоторое количество теплоты Q, и аккумулятор с более низкой температурой, которому рабочее тело отдает некоторое количество теплоты Q2.

Полезная работа за цикл равна разности абсолютных количеств тепловой энергии, подведенной к рабочему телу и отведенной от него.