A eficiência térmica é uma medida da saída de energia dividida pela entrada de energia em um sistema. Deve estar entre 0% e 100%. Um nível de 100% significaria que toda a energia colocada em um sistema sai, embora de uma forma diferente. Tanto os motores térmicos quanto os refrigeradores têm eficiências térmicas associadas, embora estejam tentando alcançar objetivos opostos. As eficiências térmicas do mundo real geralmente caem significativamente abaixo de 100% por vários motivos.
Em um motor a gasolina, a energia de entrada é armazenada nas ligações químicas de um combustível de hidrocarboneto. Uma molécula de hidrocarboneto é composta inteiramente de hidrogênio e carbono. Quando essas moléculas se combinam com o oxigênio, elas podem reagir quimicamente para formar monóxido de carbono e água; em essência, a molécula de hidrocarboneto se divide e se combina com os átomos de oxigênio. No entanto, a parte dessa reação que é útil para um motor é o calor liberado. O calor liberado pela combustão da gasolina é o insumo energético relevante na eficiência térmica.
A produção de energia no cálculo da eficiência de um motor não é calor, mas trabalho mecânico. Na física, o trabalho é a quantidade de energia transferida por uma força agindo à distância. Empurrar uma caixa sobre um tapete a uma certa distância requer uma quantidade limitada de trabalho; isso é igual ao produto da distância percorrida pela força média exercida. Da mesma forma, um motor a gasolina funciona quando você dirige as rodas de um carro.
No caso de uma geladeira ou ar condicionado, a relação calor-trabalho é invertida. O resultado desejado nesta situação é remover o calor de um sistema e liberá-lo para o ambiente externo. A entrada disponível, portanto, é o trabalho mecânico, que geralmente é fornecido por um compressor acionado eletricamente. No entanto, o cálculo da eficiência ainda requer a divisão da potência de saída pela potência de entrada. A diferença com um motor a gasolina, é claro, é que a saída é calor e a entrada é trabalho.
Um motor de automóvel típico tem uma eficiência térmica inferior a 35%. Esse número parece baixo por dois motivos importantes. Primeiro, há um limite superior teórico na eficiência térmica de qualquer máquina térmica que tem a ver com a temperatura do sistema versus a temperatura ambiente. Quanto maior a diferença de temperatura, maior a eficiência máxima que um motor sem atrito ideal pode alcançar. Isso é chamado de eficiência de Carnot.
A segunda razão pela qual os motores dos carros têm eficiência aparentemente baixa é que os motores não podem ser feitos para se comportar de maneira ideal. O atrito entre as partes móveis tende constantemente a desacelerar o motor. Algum calor escapa da câmara de combustão e torna-se inútil para o motor. O combustível nem sempre queima na temperatura mais alta alcançada, o que reduz a quantidade de calor liberada. Por esses motivos, a eficiência térmica em dispositivos do mundo real tende a ficar bem abaixo de 100%.