Le second principe impose une borne supérieure au travail que l'on peut retirer d'un moteur cyclique (pour permettre un fonctionnement continu en régime permanent, une machine thermique effectue des cycles).

Considérons une machine qui, au cours d'un cycle, reçoit une quantité de chaleur Q_1>0 d'une source chaude T_1 et rejette une quantité de chaleur -Q_2>0 vers une source froide T_2(T_2<T_1). Le but est de fournir le plus de travail possible W_\mathrm{fourni}-W_\mathrm{reçu}=Q_1+Q_2 car \DeltaU=0. Le rendement de la machine est défini par

\eta=\frac {W_\mathrm{fourni}}{Q_1},

et il vérifie l'inégalité

\eta\leq1- \frac {T_2}{T_1}

qui constitue le théorème de CARNOT. La borne supérieure 1-T_2/T_1 qui est indépendante des caractéristiques du moteur ditherme, est atteinte pour des fonctionnements réversibles. Un cycle ditherme réversible (cycle de CARNOT) est constitué par deux isothermes reliées par deux isentropiques. Le rendement d'un moteur réel est toujours inférieur à la borne de CARNOT.

Il existe différents types de machines dithermes.

• Un moteur a pour but de fournir du travail. Pour ce faire, il prend de la chaleur à une source chaude.

• Un réfrigérateur est conçu pour absorber une quantité de chaleur au contact d'une source froide en recevant de l'extérieur un travail.

• Une pompe à chaleur fonctionne comme un réfrigérateur mais reçoit du travail pour fournir de la chaleur à la source chaude.