热机是一种将热能转化为机械能（例如体积功）的机器。所有的热机都必须工作在两个温度之间。从高温热源T₁ 吸取热量Q₁，向低温热源T₂ 放出热量Q₂。

在所有热机里面，只做绝热可逆膨胀的热机，它的热效率是最高的。（同理，将常温常压下的气体P₁、V₁、T₁ 压缩至P₂、V₂、T₂ 时，以绝热可逆压缩消耗的功最小。）

这类热机的工作流程包括以下3步：

（1）体积为V₁、压力为P₁、温度为T₁ 的工质，其热能为U₁，进入膨胀机；

（2）工质在膨胀机中做绝热可逆膨胀，压力由P₁可逆地变化为环境压力P₂，温度由T₁ 下降为环境温度T₂，体积由V₁ 增加到V₂，对外做出做大可逆功W ；

（3）工质的温度、压力均与大气环境相同，再无任何做功能力。

根据热力学第一定律，对于以上封闭物系

U₂ - U₁ = Q – W                                              （1）

工质在整个过程中绝热，与外界交换的热量Q = 0，因此有

ΔU = – W                                                   （2）

又由于

输出功W 与输入原始热能U₁ 的比值称为“热效率”

将（3）代入（4）

考虑到同一物质0~T₁范围内的平均热容与0~T₂范围内的平均热容相差不大，可近似认为二者相等，于是

可以近似地认为：热机的最高效率只与两热源的绝对温度有关，与工质无关。