Egy energiaátalakító minőségét hatásfokával jellemezhetjük, amit a mechanikában megszokott módon most is η-val jelölünk. A termodinamikában egy energiaátalakító gép (röviden hőerőgép) hatásfokát így definiáljuk:

η= kimenő hasznos munka/ bemenő energia,

vagyis a hatásfok azt adja meg, hogy a bemenő energia hányad része válik hasznosíthatóvá.

Vizsgáljuk meg a gőzturbináknak mint energia-átalakító gépeknek a működését. Gőzturbinákat nagyon sok erőműben használnak, ahol valaminek az elégetésével (szén, olaj, földgáz, stb.) vagy atommaghasadással vagy erős vulkánossággal rendelkező területeken geotermikus energiával forró gőzt állítanak elő. Egy gőzturbina gyakorlati megvalósítását vizsgáljuk. A kazánból nagynyomású, forró gőz áramlik a turbinába, amit a gőz megforgat, belső energiájának rovására munkát végez a turbina forgórészén, így a turbinából kijutó gőz nyomása és hőmérséklete lecsökken. A kazánból TM magas hőmérsékletű gőz érkezik a turbinába, ahonnan TA alacsony hőmérsékleten távozik. Ha ezt a gőzt visszavezetnék a kazánba, akkor egy kompresszor segítségével össze kellene nyomni, hogy a kazán nagynyomású tartályába juttassák. A kompresszor valójában egy ellenkező irányba kapcsolt turbina lenne, vagyis a gőz visszajuttatása legalább ugyanannyi munkába kerülne, mint a turbina hasznos munkája.

Ehelyett a gőzt egy hűtőben lecsapatják, a gőzhöz képest sokkal kisebb térfogatú vizet állítanak elő, amit egy pumpa sokkal kevesebb munkával képes visszajuttatni a kazánba. A hűtőben azonban a gőznek hőt kell leadnia ahhoz, hogy vízzé váljon. A gyakorlatban ezt legtöbbször a közeli folyók vizével vagy áramló levegővel működő hűtőtornyokkal oldják meg. Ez a hűtés a mechanikai munkavégzés szempontjából hasznosíthatatlan hőveszteséget jelent, de mégsem lehet elkerülni az előzőekben leírt okok miatt.

Tekintsük át, hogy a bemenő energia mivé alakul a gőzturbina működése során. A bemenő energia a hasznos munka mellett a súrlódási (és mindenféle más) veszteségekre, továbbá a pumpa munkájára, valamint a hűtőbe áramló hőre fordítódik. Kövessük végig egy adott mennyiségű víz útját a gőzturbina mint hőerőgép körfolyamatában. A víz a kazánban QM hőt vesz fel, majd a turbinán áthaladva QA hőt ad le a hűtőnek. Ha ideális turbinát képzelünk el, amelyben a súrlódási és egyéb veszteségeket, valamint a pumpa munkáját elhanyagolhatjuk, akkor a turbina által végzett hasznos munka:

W=QM−QA.

A hőerőgép hatásfoka így adható meg:

.

Ez az összefüggés minden ideális hőerőgépre érvényes, nemcsak a gőzturbinára. Mivel a leadott QA hő mindig valamilyen nullánál nagyobb érték, így látható, hogy η<1 még az ideális, vagyis súrlódás és más veszteségek nélkül működő hőerőgépek esetén is.

A hatásfok leírásában nem voltunk következetesek a hőközlések előjelét illetően. Szigorúan véve a rendszer által felvett hő pozitív, a leadott hő negatív előjelű. A fenti összefüggésekben azonban mindig a hőközlések nagyságát (abszolút értékét) használtuk, és külön jelöltük az előjeleket.

A hatásfokot tehát QM és QA mérése alapján lehet kiszámítani. A gyakorlatban elvégzett mérések azt mutatják, hogy a hatásfokot úgy lehet javítani, ha a turbinába bekerülő gőz TM hőmérsékletét emeljük, illetve a turbinát elhagyó gőz TA hőmérsékletét csökkentjük. Bárhogy változtatjuk azonban a hőmérséklet alsó és felső határát, a valódi gőzturbinák hatásfoka sohasem érhet el egy bizonyos felső értéket, amit a következő egyenlőtlenséggel írhatunk le:

.

Eredményünk nemcsak a gőzturbinákra igaz, hanem bármely más hőerőgépre is, amely TM magas és TA alacsony hőmérsékletek között működik. A kísérleti tapasztalatok extrapolációja, továbbá elméleti megfontolások is azt mutatják, hogy a hőerőgépekkel elérhető hatásfok maximuma:

.

A gőzturbina működésének vázlata Az összefüggésből kiolvasható, hogy ηmax<1, ami azt jelenti, hogy körfolyamatban működő hőerőgépekkel a TM magas hőmérsékletű hőtartály által leadott hőt nem lehet teljes mértékben hasznos munkává alakítani. Ez a hőtan második főtételének egy újabb megfogalmazását jelenti, ami röviden így szól: Periodikus folyamatban hőenergiát nem lehet maradéktalanul mechanikai munkává átalakítani.

Érdemes formálisan megvizsgálnunk, hogy milyen esetben lenne az η max hatásfok értéke 1, vagyis 100%-os. Egyszerűen meggyőződhetünk róla, hogy ez T A = 0 K alsó hőmérsékletnél teljesülne. Ez azonban a gyakorlatban elérhetetlen. Ezt mondja ki a hőtan harmadik főtétele: A 0 K hőmérséklet véges számú lépésben nem érhető el. Tehát az elérhető hőmérsékleteknek alsó korlátja van, így újra meggyőződhettünk arról, hogy jogos a Kelvin-skálát abszolút hőmérsékleti skálának nevezni.

A hőtan mindhárom főtétele axióma, vagyis tapasztalati tényekből levont alapigazságok. Ezeket nem tudjuk más törvényekből levezetni, igazságtartalmukat az támasztja alá, hogy soha nem találkoztunk olyan esettel, amikor bármelyik főtétel nem teljesült volna.