Carnot -sykli on idealisoitu termodynaaminen sykli, joka kuvaa täydellistä lämpömoottoria. Kaikki todelliset lämpömoottorit ovat epätäydellisiä arvioita Carnot -syklin teoreettisesta täydellisyydestä. Carnot -syklissä kaikki lämpöenergia ei muutu mekaaniseksi työksi, mutta suuri osa on – suurin osa, jonka fyysinen laki sallii.
Lämpömoottori tuottaa työtä kahden säiliön lämpötilaerosta. Polttomoottorissa yksi säiliö on moottorin sisälle (lähde) syntyvä lämpö ja toinen ulkopinta (pesuallas). Lähteen tuottama lämpö saa sylinterin sisällä olevan kaasun laajentumaan ja ajaa mäntää, joka toimii. Kaasun termodynaamista tilaa – laajenevaa, mutta vakiolämpötilassa – kutsutaan isotermiseksi.
Lopulta lämmönlähde poistetaan ja kaasu ei enää laajene niin nopeasti. Jos lämpö pidetään jatkuvasti päällä, sylinteri räjähtää. Kaasu alkaa menettää lämpötilaa saavuttaessaan maksimitilavuutensa eikä enää toimi männän kanssa. Tätä kutsutaan kaasun adiabaattiseksi laajenemiseksi. Sitten mäntä muuttaa suuntaa ja puristaa kaasua, kunnes se alkaa saavuttaa maksimilämpötilan ja fyysisen kestävyyden sisältämänsä lämmön vuoksi, jolloin järjestelmä palautuu alkutilaansa. Sitten sykli alkaa uudelleen.
Lämpömoottoreita on monia erilaisia. Kaikki työskentelevät tutun lämpötilan gradientin suhteen lähteen ja pesualtaan välillä. Lämpömoottorien tehokkuuden maksimoimiseksi niiden on oltava hyvin eristettyjä. Useimmissa nykyään käytetyissä moottoreissa kaasu pysyy kaasuna koko syklin ajan, mutta höyrykoneissa vaihevaihtelu tapahtuu nesteen ja kaasun välillä.
Täydellisessä Carnot -syklissä kaikki neljä vaihetta tapahtuvat hyvin hitaasti minimoidakseen prosessin luoman entropian eli termodynaamisen peruuttamattomuuden. Todellisuudessa askeleet etenevät nopeasti ja entropia syntyy, mikä tarkoittaa, että sykli ei voi jatkua ikuisesti. Sylinterin seinät hajoavat, moottorin sisältä tuleva lämpö häviää ulkoiseen ympäristöön ja niin edelleen. Carnot -sykli voidaan suorittaa käänteisesti jääkaapin luomiseksi.