Šiluminis efektyvumas yra išėjimo energijos, padalytos iš sistemos įvesties, matas. Jis turi būti nuo 0 % iki 100 %. 100% lygis reikštų, kad visa energija, įdėta į sistemą, išeina, nors ir kitokia forma. Šilumos varikliai ir šaldytuvai turi susietą šiluminį efektyvumą, nors jie bando pasiekti priešingus tikslus. Realus šiluminis efektyvumas paprastai nukrenta gerokai žemiau 100 % dėl įvairių priežasčių.
Benzininiame variklyje įvesties energija kaupiama angliavandenilių kuro cheminėse jungtyse. Angliavandenilio molekulė susideda tik iš vandenilio ir anglies. Kai šios molekulės yra sujungtos su deguonimi, jos gali chemiškai reaguoti ir sudaryti anglies monoksidą bei vandenį; iš esmės angliavandenilio molekulė suskaidoma ir susijungia su deguonies atomais. Tačiau šios reakcijos dalis, kuri yra naudinga varikliui, yra išsiskirianti šiluma. Šiluma, išsiskirianti deginant benziną, yra svarbi šiluminio efektyvumo įvesties energija.
Variklio efektyvumo skaičiavime išėjimo energija yra ne šiluma, o mechaninis darbas. Fizikoje darbas – tai energijos kiekis, kurį perduoda jėga, veikianti per atstumą. Norint nustumti dėžę per kilimą tam tikru atstumu, reikia atlikti labai daug darbo; tai yra lygi nukelto atstumo ir vidutinės veikiančios jėgos sandaugai. Lygiai taip pat benzininis variklis veikia, kai judina automobilio ratus.
Šaldytuvo ar oro kondicionieriaus atveju šilumos ir darbo santykis yra atvirkštinis. Šioje situacijoje norimas rezultatas yra pašalinti šilumą iš sistemos ir išmesti ją į išorinę aplinką. Todėl galimas įėjimas yra mechaninis darbas, kurį dažnai atlieka elektra varomas kompresorius. Tačiau norint apskaičiuoti efektyvumą, vis tiek reikia padalyti išėjimo energiją iš įvesties energijos. Žinoma, skirtumas nuo benzininio variklio yra tas, kad išeiga yra šiluma, o įvestis – darbas.
Įprasto automobilio variklio šiluminis efektyvumas yra mažesnis nei 35%. Šis skaičius atrodo mažas dėl dviejų svarbių priežasčių. Visų pirma, yra teorinė viršutinė bet kurio šiluminio variklio šiluminio efektyvumo riba, kuri yra susijusi su sistemos temperatūra ir aplinkos temperatūra. Kuo didesnis temperatūrų skirtumas, tuo didesnį maksimalų efektyvumą gali pasiekti idealus, be trinties variklis. Tai vadinama Carnot efektyvumu.
Antroji priežastis, dėl kurios automobilių varikliai turi akivaizdžiai mažą efektyvumą, yra ta, kad variklių negalima priversti veikti idealiai. Trintis tarp judančių dalių nuolat lėtina variklio veikimą. Dalis šilumos išeina iš degimo kameros ir tampa nenaudinga varikliui. Kuras ne visada dega aukščiausioje pasiekiamoje temperatūroje, todėl sumažėja išsiskiriančios šilumos kiekis. Dėl šių priežasčių realaus pasaulio įrenginių šiluminis efektyvumas paprastai yra daug mažesnis nei 100%.