原理：
空氣熱機的結構及工作原理可用圖1說明。熱機主機由高溫區，低溫區，工作活塞及汽缸，位移活塞及汽缸，飛輪，連桿，熱源等部分組成。
熱機中部為飛輪與連桿機構，工作活塞與位移活塞通過連桿與飛輪連線。飛輪的下方為工作活塞與工作汽缸，飛輪的右方為位移活塞與位移汽缸，工作汽缸與位移汽缸之間用通氣管連線。位移汽缸的右邊是高溫區，可用電熱方式或酒精燈加熱，位移汽缸左邊有散熱片，構成低溫區。
工作活塞使汽缸內氣體封閉，並在氣體的推動下對外做功。位移活塞是非封閉的占位活塞，其作用是在循環過程中使氣體在高溫區與低溫區間不斷交換，氣體可通過位移活塞與位移汽缸間的間隙流動。工作活塞與位移活塞的運動是不同步的，當某一活塞處於位置極值時，它本身的速度最小，而另一個活塞的速度最大。
空氣熱機圖1 空氣熱機工作原理
當工作活塞處於最底端時，位移活塞迅速左移，使汽缸內氣體向高溫區流動，如圖1 a所示；進入高溫區的氣體溫度升高，使汽缸內壓強增大並推動工作活塞向上運動，如圖1 b 所示， 在此過程中熱能轉換為飛輪轉動的機械能；工作活塞在最頂端時，位移活塞迅速右移，使汽缸內氣體向低溫區流動，如圖1 c 所示；進入低溫區的氣體溫度降低，使汽缸內壓強減小，同時工作活塞在飛輪慣性力的作用下向下運動，完成循環，如圖1 d 所示。在一次循環過程中氣體對外所作淨功等於P-V圖所圍的面積。
根據卡諾對熱機效率的研究而得出的卡諾定理， 對於循環過程可逆的理想熱機，熱功轉換效率：
η = A/Q1 =（Q1-Q2）/Q1=（T1-T2）/T1 = ΔT/ T1
式中A為每一循環中熱機做的功，Q1為熱機每一循環從熱源吸收的熱量，Q2為熱機每一循環向冷源放出的熱量，T1為熱源的絕對溫度，T2為冷源的絕對溫度。
實際的熱機都不可能是理想熱機，由熱力學第2定律可以證明，循環過程不可逆的實際熱機，其效率不可能高於理想熱機，此時熱機效率：
η ≦ ΔT/ T1
卡諾定理指出了提高熱機效率的途徑，就過程而言，應當使實際的不可逆機儘量接近可逆機。就溫度而言，應儘量的提高冷熱源的溫度差。
熱機每一循環從熱源吸收的熱量Q1正比於ΔT/n，n為熱機轉速，η正比於nA/ΔT。n，A，T1及ΔT均可測量，測量不同冷熱端溫度時的nA/ΔT，觀察它與ΔT/ T1的關係，可驗證卡諾定理。
當熱機帶負載時，熱機向負載輸出的功率可由力矩計測量計算而得，且熱機實際輸出功率的大小隨負載的變化而變化。在這種情況下，可測量計算出不同負載大小時的熱機實際效率。
