热机将热能或热量转化为机械能
热机的热效率是转换成工作的热能的百分比。热效率定义为
即使是最好的发动机的效率也很低，通常低于50%。因此，热机对环境的损失是能源资源的主要浪费。由于世界范围内生产的大部分燃料用于为热力发动机供电，因此，尽管现代热电联产，联合循环和能源回收计划已开始将其用于其他目的，但全球生产的有用能源的一半可能会浪费在发动机低效率方面。这种低效率可归因于三个原因。任何热机由于温度的效率都有一个总体理论上的限制，称为卡诺效率。第二，特定类型的发动机由于其使用的发动机循环的固有不可逆性而对其效率具有较低的限制。第三，真实发动机的非理想行为，例如机械摩擦和燃烧过程中的损失导致进一步的效率损失。
热力学第二定律对所有热机的热效率进行了基本的限制。即使是理想的无摩擦发动机也不能将其100%输入热量的任何地方转换成工作。限制因素是热量进入发动机的温度
这个极限值被称为卡诺循环效率，因为它是称为卡诺循环的不可实现的、理想的、可逆的发动机循环的效率。没有将热量转换成机械能的装置，无论其结构如何，都可以超越这种效率。
卡诺循环是可逆的，因此代表了发动机循环效率的上限。实际的发动机循环是不可逆的，因此在相同温度
内燃机效率的一个重要参数是空气 - 燃料混合物的比热γ。这与燃料有所不同，但通常接近1.4。这个标准值通常用在下面的发动机循环方程中，当进行这种近似时，该循环称为空气标准循环。
（1）奥托循环：奥托循环是用于汽油和氢燃料汽油发动机的火花点火内燃机的循环的名称。其理论效率取决于发动机的压缩比r和燃烧室中气体的比热比γ。
因此，效率随着压缩比而增加。 然而，奥托循环发动机的压缩比受限于需要防止被称为爆震的不受控制的燃烧。 现代发动机的压缩比范围为8至11，导致理想的循环效率为56%至61%。
（2）狄赛尔循环：卡车和火车在用于柴油卡车和火车发动机的柴油循环中，燃料通过气缸中的压缩点燃。 狄赛尔循环的效率取决于r和γ，如奥托循环，也取决于截止比rc，rc是燃烧过程开始和结束时的气缸体积比：
当使用相同的压缩比时，狄赛尔循环的效率低于奥托循环。 然而，实用柴油发动机的效率比汽油发动机高出30% - 35%。这是因为，由于燃料在燃烧需要点燃之前不被引入到燃烧室中，所以压缩比不受避免爆震的需要的限制，因此使用比火花点火式发动机高的比例。
（3）兰金循环：蒸汽发电厂兰金循环是汽轮机发电厂使用的循环。世界绝大多数电力都是在这个循环中生产的。 由于循环的工作流体水在循环过程中从液体变为蒸汽并且回到其后，其效率取决于水的热力学性质。具有再热循环的现代蒸汽轮机厂的热效率可以达到47%，在蒸汽轮机由燃气轮机的排气供电的联合循环设备中，可达到60%。
（4）布雷顿循环：燃气轮机和喷气发动机布雷顿循环是燃气轮机和喷气发动机中使用的循环。它包括一个增加进气压力的压缩机，然后将燃料连续地添加到流中并燃烧，并且热排气在涡轮机中膨胀。 效率在很大程度上取决于燃烧室p2内的压力与p1以外的压力之比
上述效率公式基于简单的发动机理想化数学模型，没有摩擦和工作流体遵守称为理想气体定律的简单热力学规则。实际发动机与理想行为有很多偏离，浪费能源，降低远远低于上述理论值的实际效率。例如：
（1）运动部件摩擦
（2）燃烧效率低下
（3）来自燃烧室的热量损失
（4）工作流体离开理想气体的热力学性质
（5）空气通过发动机的气动阻力
（6）辅助设备如油水泵所使用的能源。
（7）低效压缩机和涡轮机
低效率的另一个原因是，除了效率低的污染之外，发动机必须针对其他目标进行优化。车辆发动机的要求特别严格：它们必须设计用于低排放，足够的加速性，起动速度快，重量轻，噪音低等特点。这些要求在设计上会受到影响（如改变气门正时以减少排放），从而降低效率。平均汽车发动机的效率只有35%左右，也必须在停车位上闲置，浪费17%的能量，总体效率为18%。[7]大型固定式发电厂具有较少的竞争要求以及更高效的兰金循环，因此它们比车辆发动机的效率明显更高，约为50%。因此，用电动车替换内燃车辆，电动车辆运行在充电电池在发电厂燃烧燃料产生的电力，具有提高运输中能源使用的热效率的理论潜力，从而减少对化石燃料的需求。
当比较不同的热力发动机作为动力源，如电力或运行车辆的动力时，发动机效率本身只是一个因素。为了进行有意义的比较，必须考虑从燃料源到消费者的整个能源供应链的整体效率。虽然热机所浪费的热量通常是无效率的最大来源，但诸如燃料精炼和运输的能源成本以及运输它的输电线路中的能量损失等因素可能会抵消更有效的热力发动机的优势。
