znanstveno područje koje opisuje međusobne pretvorbe topline i drugih oblika energije te s tim u vezi i zavisnosti među svojstvima tvari u ravnoteži, posebna među onima koja se mijenjaju s promijenom temperature

Da bi se u nekom toplinskom stroju iz topline dobio rad, radna tvar (npr.idealan plin), pošto izvrši rad, treba se kružnim procesom vratiti u početno stanje. Osim toga, taj se proces mora neprestano ponavljati. Iskustva pokazuju da toplinski stroj može obavljati rad samo ako je jedan njegov dio na višoj temperaturi, a drugi na nižoj. Toplina će pritom teći od toplijeg dijela prema hladnijem dijelu i pritom će se njezin jedan dio pretvoriti u rad. Što je temperaturna razlika veća, to će veći dio topline prijeći u rad. Na primjer: u benzinskom motoru toplina teče kroz sustav jer je temperatura pri izgaranju (oko 2000°C) mnogo viša nego temperatura okoline, pa se jedan dio topline pretvara u rad i pokreće klip u cilindru, a veći se dio topline predaje sustavu za hlađenje motora ili odlazi kroz ispuh. Najpoznatiji kružni proces je Carnotov kružni proces :

Carnotov kružni proces s idealnim plinom - sastoji se od četiriju promjena stanja plina (četiri takta):

1. izotermna ekspanzija od početnog stanja 1 do stanja 2
2. adijabatska ekspanzija od stanja 2 do stanja 3
3. izotermna kompresija od stanja 3 do stanja 4
4. adijabatska kompresija od stanja 4 do početnog stanja 1

U prvom taktu plin prima toplinu Q1 iz toplijeg spremnika temperature T1 i izotermnom ekspanzijom plina obavlja rad W1. Daljnjom ekspanzijom, ali sada adijabatskom (bez izmjene topline), plin obavlja dodatni rad W2. Predajući toplinu Q2 hladnijem spremniku temperature T2, plin se zatim, izotermno steže uz dovođenje rada W3 iz okoline. Vanjskim radom plin se adijabatskom kompresijom vraća u početno stanje i ciklus se zatim ponavlja.

W = Q1 + Q2 = Q1 - | Q2 |

TOPLINSKA DJELOTVORNOST (KORISNOST) η OMJER JE KORISNE ENERGIJE (OVDJE RADA W) I DOVEDENE ENERGIJE (OVDJE TOPLINE Q1):

η = W / Q , η = 1 - | Q1 / Q2 | , η = 1 - T2 / T1

Djelotvornost Carnotovog stroja ovisi jedino o temperaturama hladnijeg i toplijeg spremnika. Temperatura treba biti što viša kad plin obavlja rad, a što niža za vrijeme kompresije, odnosno grijač mora biti na što višoj temperaturi, a hladni spremnik na što nižoj, da bi η bio što veći. Nije moguće dobiti rad ako su oba spremnika na istoj temperaturi (T1 = T2 = η = 0). Također nije moguće dobiti η = 100% jer bi tada trebalo biti T2=OK, tj. hladnjak na apsplutnoj nuli, što čak ni teorijski nije ostvarivo.Otpadna toplina je ekološki problem.

N.L.S. Carnot objavio je 1824.g. svoje jedino djelo, "REFLEXIONS SUR LA PUISSANCE MOTRICE DU FEU" (OSVRTI NA POKRETAČKU SNAGU VATRE), kojim je sebi osigurao mjesto u povijesti znanosti.U to je doba Wattov parni stroj već bio u upotrebi više od trideset godina, ali s korišnošću samo 5 - 7%.Potaknut činjenicom da se 93 - 95% topline izgorjela goriva gubi u okoliš, Carnot je uspio dokazati, opisujući svoj idealizirani proces, da iskorištavanje topline ovisi o razlici najviše i najniže temperature kružnog procesa.
Od stanja 1 do 2: radna je tvar izvrgnuta izotermnoj promijeni stanja uz T1=T2=T=const., te je za idealni plin također u1=u2=const. Privedena će toplina q12 iz ogrijevnog spremnika biti jednaka izvršenom radu od 1 do 2:
W12 = q12 = Ri T ln p1/p2
Od 2 do 3 radna tvar izentropno ekspandira, pa će uz q23=0 izvršeni rad od 2 do 3 biti:
W23 = Ri / (K-1) (T - To)
Radna se tvar zatim od 3 do 4 izotermno komprimira uz T3=T4=To= const. i uz u3=u4=const., pa slijedi da će utrošeni rad od 3 do 4 biti:
W34 = q34 = Ri To ln p3/p4
Carnot je proces zatvorio izentropnom kompresijom od 4 do 1 uz q41 = 0, pa slijedi da je utrošeni rad:
W41 = Ri / (K-1) (T - To) = -w23
Rezultirajući je rad Carnotovog procesa jednak zbroju radova pojedinih promjena stanja
Wc = Ri (T - To) ln p1 / p2
jer je:
p4 / p3 = p1 / p2
Termička je korisnost Carnotovog procesa
ηc =|Wc| / |q12| = (Ri (T-To) ln p1 / p2) / (Ri T ln p1 / p2) = (T - To) / (T) = 1 - (To / T) < 1
Carnotov kružni proces kojemu je temperatura ogrijevnog spremnika T, a rashladnog spremnika To, može uz najbolji mogući način djelovanja stroja pretvoriti toplinu u mehanički rad samo s korišnošću koja ne može biti veća od ηc.

U ljevokretnom se Carenotovom procesu rezultirajući rad troši, a toplina se odvodi iz rashladnog spremnika RS i dovodi ogrijevnom spremniku OS.
-Wc = q12 - q34
Za ocjenu ljevokretnih procesa obično se promatra omjer između topline -q12 oduzete rashladnom spremniku i rada Wc utrošenog za to oduzimanje, pa je:
Ec = |q12| / |Wc| = To / (T - To) ≥1
Za razliku od ηc koji je manji od 1, Ec je obično veći od jedan.Carnotov proces pokazuje da je toplinu nemoguće potpuno pretvoriti u mehanički rad te da su za to potrebna dva toplinska spremnika, bio bi to prema W.Ostwaldu, perpetuum mobile druge vrste.Tada bi, naime, brodovi mogli ploviti morima bez posebnog goriva, iskorištavajući goleme količine topline sadržane u morskoj vodi. Međutim, mehanički je rad moguće potpuno pretvoriti u toplinu i predati je jednom jedinom toplinskom spremniku. Pretvaranje topline u mehanički rad i mehaničkog rada u toplinu u osnovi su dvije različite termodinamičke pojave.

Rashladni strojevi rade na obrnutom principu od toplinskih strojeva. Oni toplinu Q2 prenose iz spremnika niže temperature u spremnik više temperature. Takav se proces ne može spontano događati, nego se u nj mora uložiti određeni mehanički rad ili dovesti određena toplina iz nekog toplinskog izvora. U rashladnom stroju, uz korištenje inverznog Carnotovog ili sličnog procesa, toplina Q2 uzima se iz hladnijeg spremnika, da bi se uz uloženi rad W toplijem spremniku predala toplina Q1=Q2 + W. Potrebni se rad najčešće obavlja električnom energijom.