Un système subit une transformation monotherme s'il est en contact thermique avec une seule source "thermique'' au cours de cette transformation.

Dans le cas idéal, cette source thermique est un thermostat de température . La variation d'entropie de l'Univers induite par une transformation monotherme est alors :

Par suite, pour toute transformation monotherme :

Dans le cas important d'un cycle monotherme de transformations, la variation d'entropie du système est nulle (puisqu'à l'issue du cycle il est revenu à son état initial). L'inégalité précédente devient :

La chaleur est donc globalement fournie par le système à la source thermique . De plus, puisqu'à l'issue d'un cycle la variation d'énergie interne est également nulle, le travail est égal en valeur absolue mais opposé en signe au transfert thermique :

Le travail est par suite globalement reçu par le système , et fourni par l'opérateur M. Un cycle monotherme ne permet pas au système de produire du travail. Il ne peut être moteur, seulement récepteur.