Lämpöhyötysuhde on mitattu lähtöenergia jaettuna järjestelmän tuloenergialla. Sen on oltava 0% – 100%. 100%: n taso tarkoittaisi, että kaikki järjestelmään syötetty energia tulee ulos, vaikkakin eri muodossa. Molemmilla lämpömoottoreilla ja jääkaapilla on lämpötehokkuus, vaikka ne pyrkivät saavuttamaan päinvastaisia tavoitteita. Todellisen lämmön hyötysuhde laskee yleensä huomattavasti alle 100% useista syistä.
Bensiinimoottorissa syöttöenergia tallennetaan hiilivetypolttoaineen kemiallisiin sidoksiin. Hiilivetymolekyyli koostuu kokonaan vedystä ja hiilestä. Kun nämä molekyylit yhdistetään hapen kanssa, ne voivat reagoida kemiallisesti ja muodostaa hiilimonoksidia ja vettä; Pohjimmiltaan hiilivetymolekyyli jaetaan ja yhdistetään happiatomeihin. Osa reaktiosta, joka on hyödyllinen moottorille, on kuitenkin vapautunut lämpö. Bensiinin palamisesta vapautuva lämpö on olennainen tuloenergia lämpötehokkuudessa.
Lähtöenergia moottorin hyötysuhteen laskennassa ei ole lämpöä, vaan mekaanista työtä. Fysiikassa työ on energian määrä, joka siirretään etäisyydellä vaikuttavan voiman avulla. Laatikon työntäminen maton yli tietyn matkan vaatii rajallisen määrän työtä; tämä on yhtä suuri kuin siirretyn matkan ja keskimääräisen voiman tulo. Bensiinimoottori toimii samalla tavalla, kun se liikuttaa auton pyöriä.
Jääkaapin tai ilmastointilaitteen tapauksessa lämmön ja työn välinen suhde on päinvastainen. Haluttu tulos tässä tilanteessa on poistaa lämpö järjestelmästä ja kaataa se ympäristöön. Käytettävissä oleva tulo on siis mekaanista työtä, jonka usein tuottaa sähkökäyttöinen kompressori. Tehokkuuden laskeminen edellyttää kuitenkin edelleen lähtöenergian jakamista panosenergialla. Ero bensiinimoottoriin on tietysti se, että lähtö on lämpöä ja syöttö on työtä.
Tyypillisen automoottorin lämpöhyötysuhde on alle 35%. Tämä luku näyttää pieneltä kahdesta tärkeästä syystä. Ensinnäkin minkä tahansa lämpömoottorin lämpötehokkuudella on teoreettinen yläraja, joka liittyy järjestelmän lämpötilaan ympäristön lämpötilaan nähden. Mitä suurempi lämpötilaero, sitä korkeamman hyötysuhteen ihanteellinen kitkaton moottori voi saavuttaa. Tätä kutsutaan Carnot -tehokkuudeksi.
Toinen syy auton moottoreihin on näennäisesti alhainen hyötysuhde, koska moottoreita ei voida saada käyttäytymään ihanteellisesti. Liikkuvien osien välinen kitka hidastaa jatkuvasti moottoria. Osa lämmöstä poistuu polttokammiosta ja muuttuu hyödyttömäksi moottorille. Polttoaine ei aina pala korkeimmassa saavutetussa lämpötilassa, mikä vähentää vapautuvan lämmön määrää. Näistä syistä todellisten laitteiden lämpötehokkuus on yleensä alle 100%.