Vanwege de wetten van de thermodynamica is het bij warmtemotoren niet mogelijk om een ​​rendement van 100 procent te bereiken. Het rendement van een warmtemotor wordt gedefinieerd als de verhouding tussen het werk dat door de motor wordt verricht en de warmte-inbreng, en wordt beperkt door het verschil tussen de hoge en lage temperaturen van de motor.

De Carnot-cyclus is een theoretische cyclus die de meest efficiënt mogelijke warmtemotor vertegenwoordigt, en heeft een maximaal rendement van 100%. In de praktijk kan echter geen enkele motor dit rendement bereiken vanwege factoren als wrijving en warmteverlies.

De tweede wet van de thermodynamica stelt dat in elke warmtemotor altijd een deel van de warmte naar de omgeving moet worden afgevoerd, en dit vermindert de efficiëntie van de motor. De efficiëntie van een warmtemotor kan worden verbeterd door het verschil tussen de hoge en lage temperaturen te vergroten, maar dit wordt beperkt door praktische beperkingen.

In een echte warmtemotor ligt het maximale rendement dat kan worden bereikt doorgaans rond de 40-50%.