Коротко: идеальный (100%-ный) тепловой двигатель невозможен потому, что это нарушило бы второй закон термодинамики — в циклическом процессе нельзя полностью преобразовать тепло, взятое у одного теплового резервуара, в работу без отвода тепла в другой резервуар (формулировка Кельвина—Планка) и потому что суммарная энтропия замкнутой системы не убывает.
Вывод предела Карно (сжатый):
- Пусть за цикл двигатель принимает тепло $Q_h$ от горячего резервуара при температуре $T_h$ и отдает $Q_c$ холодному резервуару при $T_c$. Работа за цикл $W=Q_h-Q_c$.
- Второй закон в виде неубывания полной энтропии для циклического процесса даёт
$$-\frac{Q_h}{T_h}+\frac{Q_c}{T_c}\ge 0.$$ Равенство при обратимом (реверсибельном) процессе.
- Отсюда
$$\frac{Q_c}{Q_h}\ge \frac{T_c}{T_h},$$ и эффективность $\eta =\frac{W}{Q_h}=1-\frac{Q_c}{Q_h}$ ограничена
$$\eta \le 1-\frac{T_c}{T_h}.$$ При обратимом цикле (Карно) достигается
$${\eta }_C=1-\frac{T_c}{T_h}.$$ (Температуры — в абсолютных единицах, Кельвинах.)
Физический смысл: только при полностью обратимых (бесконечно медленных, без трения и потерь) процессах суммарная энтропия не растёт и достигается теоретический предел; любые реальные необратимости (конечная скорость теплопередачи с конечным перепадом температур, трение, теплопотери, утечки и т. п.) увеличивают энтропию и снижают КПД.
Практические конструкции, приближающиеся к пределу Карно:
- Идеальные/реализуемые обратимые циклы: Carnot (теоретический), Stirling и Ericsson с идеальным регенератором — при хорошей регенерации и медленной работе они могут близко подойти по КПД к ${\eta }_C$.
- Реальные устройства, использующие регенерацию и высокие температуры: современные комбинированные паро-газовые установки (combined-cycle) и стационарные газотурбинные циклы добиваются больших КПД (до ≈60% в больших установках) — они приближаются к карновскому пределу за счёт высокого $T_h$ и уменьшения потерь, но не достигают его из-за конечной скорости процессов и потерь.
- Лабораторные и микро/наномашины: экспериментальные одноатомные и квантовые тепловые двигатели демонстрируют приближение к карновскому КПД в квазистатическом (малой мощности) режиме.

Важно: достижение КПД Карно требует практически бесконечно медленной работы (квазистатический предел), то есть нулевой мощности. В реальных приложениях всегда есть компромисс между высоким КПД и приемлемой мощностью/мощностной плотностью.