理想氣體從狀態1（P1，V1，T1）等溫膨脹到狀態2（P2，V2，T2），再從狀態2絕熱膨脹到狀態3（P3，V3，T3），此後，從狀態3等溫壓縮到狀態4（P4，V4，T4），最後從狀態4絕熱壓縮回到狀態1。這種由兩個等溫過程和兩個絕熱過程所構成的循環成為卡諾循環。卡諾循環可以想象為是工作與兩個恒溫熱源之間的準靜態過程，其高溫熱源的溫度為T1，低溫熱源的溫度為T2。這壹概念是1824年N.L.S.卡諾在對熱機的最大可能效 率問題作理論研究時提出的。卡諾假設工作物質只與兩個恒溫熱源交換熱量，沒有散熱、漏氣、擦等損耗。為使過程是準靜態過程，工作物質從高溫熱源吸熱應是無溫度差的等溫膨脹過程，同樣，向低溫熱源放熱應是等溫壓縮過程。因限制只與兩熱源交換熱量，脫離熱源後只能是絕熱過程。作卡諾循環的熱機叫做卡諾熱機。
通過熱力學相關定理我們可以得出，卡諾循環的效率ηc＝1-T2/T1，由此可以看出，卡諾循環的效率只與兩個熱源的熱力學溫度有關，如果高溫熱源的溫度T1愈高，低溫熱源的溫度T2愈低，則卡諾循環的效率愈高。因為不能獲得T1→∞的高溫熱源或T2=0K（-273℃）的低溫熱源，所以，卡諾循環的效率必定小於1。
可以證明，以任何工作物質作卡諾循環，其效率都壹致；還可以證明，所有實際循環的效率都低於同樣條件下卡諾循環的效率，也就是說，如果高溫熱源和低溫熱源的溫度確定之後卡諾循環的效率是在它們之間工作的壹切熱機的最高效率界限。因此，提高熱機的效率，應努力提高高溫熱源的溫度和降低低溫熱源的溫度，低溫熱源通常是周圍環境，降低環境的溫度難度大、成本高，是不足取的辦法。現代熱電廠盡量提高水蒸氣的溫度，使用過熱蒸汽推動汽輪機，正是基於這個道理。
卡諾定理闡明了熱機效率的限制，指出了提高熱機效率的方向（提高T1，降低T2，減少散熱。、漏氣。、摩擦等不可逆損耗，使循環盡量接近卡諾循環）。成為熱機研究的理論依據。熱機效率的限制。實際熱力學過程的不可逆性及其間聯系的研究，導致熱力學第二定律的建立。在卡諾定理基礎上建立的與測溫物質及測溫屬性無關的絕對熱力學溫標，使溫度測量建立在客觀的基礎之上。此外，應用卡諾循環和卡諾定理，還可以研究表面張力、飽和蒸氣壓與溫度的關系及可逆電池的電動勢等。還應強調，卡諾這種撇開具體裝置和具體工作物質的抽象而普遍的理論研究，已經貫穿在整個熱力學的研究之中。