L'efficienza termodinamica (meglio nota come rendimento) in una conversione di energia è il rapporto tra il lavoro meccanico compiuto e l'energia fornita al sistema.
Il rendimento di primo principio, è un numero adimensionale che caratterizza l'efficienza del processo di conversione della forma di energia in ingresso in quella di uscita.
Essa è espressa come valore compreso tra 0 e 1 (talvolta sotto forma di percentuale):
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| Q(ass) = energia assorbita da parte del sistema dall'esterno |
Per comprendere meglio, si consideri una macchina termica (l'esempio più semplice di interazione tra sistemi) e si supponga che essa sia caratterizzata da:• un serbatoio di calore caldo con una temperatura costante 
in grado di assorbire o cedere una quantità di calore pari a 
;
• un serbatoio di calore freddo con una temperatura costante 
in grado di assorbire o cedere una quantità di calore pari a 
;
• un serbatoio di lavoro in grado di assorbire o produrre lavoro 
;
• l'entropia totale di irreversibilità del sistema 
(nulla in caso di sistema ideale reversibile).
A seconda del verso dei flussi di lavoro e calore della macchina termica, è possibile distingue due diverse tipologie di macchina termica, quella motrice e quella operatrice.
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Diagramma di una macchina termodinamica motrice: la sorgente calda a temperatura TH cede il calore QH, la macchina termica cede il calore QH alla sorgente fredda a temperatura TC; la macchina termica compie lavoro W sull'ambiente esterno; il diagramma di una macchina termodinamica operatrice risulta essere lo stesso ma con il verso di QH, Qc, W invertiti
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Nelle macchine motrici ciò che si vuole ottenere è lavoro attraverso la conversione del calore caldo .Nelle macchine operatrici quello che si vuole ottenere è calore, grazie all'utilizzo di lavoro, ed in particolare si possono distinguere la pompa di calore che vuole ottenere calore caldo, e il frigorifero che vuole ottenere calore freddo.
Il rendimento di secondo principio rappresenta la capacità di un processo reale di tendere alle prestazioni di funzionamento di un processo ideale o reversibile, la cui formula è:
e poiché 
, allora 
Tale rendimento può essere unitario nel caso in cui la macchina considerata sia già essa stessa una macchina reversibile.
Per la macchina termica, Carnot ha scoperto che il rendimento della cosiddetta macchina di Carnot è funzione delle temperature assolute delle sorgenti tra cui essa lavora:
quindi 
,
dove T1 > T2.
N.B. Il 2° principio della termodinamica sancisce l'impossibilità teorica di realizzare un sistema che possegga un rendimento maggiore di quello della macchina di Carnot (il quale sarebbe uguale a 1se T2 assumesse il valore di 0 K( = -273 °C) o se T1 tendesse ad infinito.
