Преобразование тепловой энергии в механическую осуществляется при расширении рабочего тела в цилиндре или рабочей камере теплового двигателя. Для получения механической энергии в течение длительного времени и в достаточном количестве необходимо непрерывное повторение этого процесса. Чтобы обеспечить такое повторение, каждый процесс расширения следует сочетать с процессом сжатия, при котором рабочее тело возвращается в начальное состояние.

Допустим, что при перемещении поршня в цилиндре происходит процесс расширения, который в координатах р — У ( 2 соответствует линии 1-а-2. Рабочее тело совершает положительную работу, пропорциональную площади, находящейся под линией процесса. Процесс сжатия должен быть проведен так, чтобы работа, затраченная на его осуществление, была меньше работы, полученной при расширении. Очевидно, что кривая сжатия 2-в-1 в этом случае должна лежать ниже кривой расширения. Путем совершения этих процессов рабочее тело вновь возвращается в начальное состояние. Такая совокупность процессов образует круговой процесс или цикл.

Таким образом, циклом называется совокупность процессов, происходящих в определенной последовательности, в результате осуществления которых рабочее тело возвращается в начальное состояние.

Работа совершается за счет тепловой энергии, сообщаемой рабочему телу на отдельных участках цикла. В дальнейшем будет показано, что тепловая энергия, подводимая к рабочему телу, преобразуется в механическую энергию не полностью.

Для оценки совершенства термодинамического цикла с точки зрения степени преобразования теплоты в работу вводится понятие термического или термодинамического КПД.

Термическим КПД называется отношение количества теплоты, эквивалентное цикловой работе, к количеству подведенной за цикл теплоты, т. е. где Qx — количество теплоты, подведенной к рабочему телу за цикл.

Общим в рассмотренных циклах тепловых двигателей является преобразование тепловой энергии в механическую. Такие циклы называются прямыми. В координатах р-V процесс изменения состояния рабочего тела при прямом цикле протекает по часовой стрелке. Линия расширения располагается выше линии сжатия.

Наряду с прямыми циклами существуют обратные, в которых процессы изменения состояния протекают против часовой стрелки, линия расширения располагается ниже линии сжатия. На совершение такого цикла необходимо затратить механическую работу. Обратные циклы осуществляются в холодильных установках и компрессорах.

Если цикл состоит только из обратимых процессов, то он является обратимым.