В любом двигателе энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, превращается в механическую работу. Однако часть энергии неизбежно теряется и не может быть использована полезно.

Схема теплового двигателя

Тепловой двигатель состоит из трёх частей: нагреватель, рабочее тело, холодильник.

Рабочим телом обычно служит пар или газ. В нагревателе при сжигании топлива выделяется энергия, которая идёт на нагревание рабочего тела. Рабочее тело, расширяясь, совершает работу. Однако нам требуется не однократное расширение, а циклическая работа двигателя. Поэтому рабочее тело надо вернуть в исходное состояние, т. е. сжать его. При этом работа, затраченная на сжатие, должна быть меньше работы, совершённой при расширении. Для этого сжатие осуществляют, приведя систему в  контакт с холодильником (телом с более низкой температурой). Холодильником может служить окружающая среда.

По закону сохранения энергии совершаемая двигателем работа равна разности между теплом, полученным от нагревателя, и теплом, отданным холодильнику.

A = Q₁ - Q₂

В действительности совершённая работа ещё меньше. Это связано с нагреванием деталей двигателя, наличием трения между ними и т. д.

Отношение совершённой двигателем работы к количеству теплоты, выделившемуся при сгорании топлива, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя (КПД).

КПД теплового двигателя рассчитывают по формуле:

Так как некоторое количество теплоты рабочее тело передаёт холодильнику, то A < Q₁ и  коэффициент полезного действия всегда меньше единицы. Часто его выражают в процентах, тогда говорят, что КПД меньше 100%.

Например, КПД современных турбоагрегатов может достигать 40—50%, бензинового двигателя составляет 20—25%, дизеля — 35%.