در میان تمام فرآیندهای ترمودینامیکی چرخه ای، چرخه کارنو از نظر نظری و کاربرد عملی خاصی برخوردار است. اغلب آن را بی نظیر، عالی، ایده آل و غیره می نامند. و برای بسیاری، به طور کلی چیزی مرموز و غیرقابل درک به نظر می رسد. با این حال، اگر همه لهجه ها به درستی قرار گیرند، تمام سادگی، نبوغ و زیبایی این اختراع که توسط دانشمند و مهندس فرانسوی Sadi Carnot کشف شده است، فوراً آشکار می شود. و روشن خواهد شد که هیچ چیز فراطبیعی در روندی که او پیشنهاد کرد وجود ندارد، بلکه فقط کارآمدترین استفاده از برخی قوانین طبیعت است.
پس چرخه معروف و مرموز کارنو واقعاً چیست؟ می توان آن را به عنوان یک فرآیند شبه استاتیکی بر اساس قرار دادن یک سیستم ترمودینامیکی در تماس حرارتی با یک جفت مخزن ترموستاتیک با مقادیر دمای ثابت و پایدار تعریف کرد. که در آنفرض بر این است که دمای اولی (هیتر) از دمای دومی (یخچال) بیشتر است. چرخه کارنو شامل این واقعیت است که ابتدا یک سیستم ترمودینامیکی که در ابتدا دارای یک مقدار حرارتی معین است، با یک بخاری در تماس است. سپس با کاهش بی نهایت آهسته فشار، یک انبساط شبه استاتیکی در آن ایجاد می شود که همراه با وام گرفتن گرما از بخاری و مقاومت در برابر فشار خارجی است.
بعد از آن سیستم ایزوله می شود که دوباره باعث انبساط آدیاباتیک شبه استاتیکی در آن می شود تا زمانی که دمای آن به دمای یخچال برسد. با این نوع انبساط، کار خاصی از مقاومت در برابر فشار خارجی نیز توسط سیستم ترمودینامیکی انجام می شود. در این حالت سیستم با یخچال تماس پیدا می کند و با افزایش مداوم فشار تا نقطه معینی فشرده می شود و در نتیجه انرژی حرارتی وام گرفته شده از بخاری را به طور کامل به مخزن دوم منتقل می کند. چرخه کارنو از این نظر منحصر به فرد است که با اتلاف حرارت همراه نیست. از نظر تئوری، چنین طرحی را می توان یک ماشین حرکت دائمی نامید. زیرا بازده حرارتی چرخه کارنو، بسته به دمای جفت مخزن، همیشه بالاترین میزان ممکن خواهد بود. با این حال، هیچ کس هنوز موفق به ایجاد ماشینی نشده است که راندمان حرارتی آن از سی درصد میزان مجاز در فرآیند چرخه‌ای سادی کارنو فراتر رود.
و این فرآیند به این دلیل ایده آل نامیده می شودخیلی بهتر از سایر چرخه ها می تواند گرما را به کار مفید تبدیل کند. از طرفی به دلیل مشکلاتی که در سازماندهی و انجام فرآیندهای همدما وجود دارد، کاربرد آن در موتورهای واقعی به شدت دشوار است. برای حداکثر راندمان انتقال حرارت، چنین ماشینی باید کاملاً از محیط خارجی جدا شود که در واقعیت تقریباً غیرممکن است.
چرخه معکوس کارنو زیربنای اصل عملکرد یک پمپ حرارتی است که برخلاف یخچال باید تا حد امکان به برخی از اجسام داغ مانند سیستم گرمایش انرژی بدهد. مقداری از گرما از محیط وام گرفته می شود که دمای کمتری دارد، بقیه انرژی مورد نیاز در حین انجام کارهای مکانیکی مانند کمپرسور آزاد می شود.
