מכונת החום מורכבת מתאים תרמו-אלקטריים, אשר יכולים להפוך חום לאנרגיה חשמלית. התאים מחוברים לשתי רגליות (מבודדות זו מזו) כמתואר בסרטוט.

הניסוי יבוצע במספר חלקים:

חלק א'

נכין שתי כוסות (מיכלים). בכוס אחת נכניס מים רותחים (טמפרטורה גבוהה) ולתוך הכוס השנייה, מוזגים מים קרים – תערובת של מים עם קרח (טמפרטורה נמוכה). בכל אחת מן הכוסות טובלים רגל אחת של המתקן. תוך זמן קצר רואים כי המאוורר מסתובב במהירות.

נוכחנו כי ניתן ליצור "מכונת חום" – מכונה זו פועלת כתוצאה מכך שהאנרגיה העוברת מהמים שהטמפרטורה שלהם גבוהה, אל המים שהטמפרטורה שלהם נמוכה יותר, דרך התאים התרמו-אלקטריים. בתהליך זה חום (כפי שהגדרנו חום – אנרגיה במעבר מגוף בטמפרטורה גבוהה יותר, אל הגוף שהטמפרטורה שלו נמוכה יותר) הופך לאנרגיה חשמלית, באמצעותה מופעל המנוע.

חלק ב'

נערבב את המים החמים עם המים הקרים, בתוך כוס שלישית ונטבול את שתי הרגליים של המתקן בתוך המיכל החדש. אנו רואים שהמאוורר לא מסתובב כלל. התוצאה מעניינת; תוך כדי ערבוב המים החמים והקרים לא השתנתה האנרגיה הפנימית הכוללת של המים, ובכל זאת לא ניתן להמיר חלק ממנה לאנרגיה חשמלית. במילים אחרות מאחר שלא היההפרש טמפרטורות בין שתי הרגליים (הרגליות) של המתקן, לא היה מעבר אנרגיה (חום), לא התקבלה אנרגיה חשמלית והמנוע לא פעל. כפי שאמרנו, התנאי לפעולתו של מנוע חום הוא קיומם של שני מיכלים בטמפרטורות שונות, על-מנת שיתאפשר מעבר אנרגיה (חום) מן המיכל שהטמפרטורה שלו גבוהה, אל המיכל בטמפרטורה נמוכה יותר. אפשר להראות כי נצילות התהליך של המרת האנרגיה אמנם תלויה בהפרש הטמפרטורות של שני מיכלי המים.

חלק ג

נמזוג בכוס אחת מים חמים, בטמפרטורה של כ- 75 מעלות צלסיוס ולתוך הכוס השנייה נמזוג מי- ברז בטמפרטורה של כ- 25 מעלות צלסיוס, נטבול רגל אחת של המתקן במים החמים ואת הרגל השנייה במים שהטמפרטורה שלהם נמוכה יותר. אנו רואים שהמנוע מסתובב הרבה יותר לאט (בהשוואה לחלק א' של הניסוי). הנצילות של התהליך הפעם יותר קטנה, והאנרגיה החשמלית המתקבלת מספיקה לסובב את המנוע לאט יותר.

חלק ד

נחזור על חלק א' של הניסוי, נדאג לכסות את הכוסות עם המים כדי למנוע בריחת חום לסביבה. המאוורר מסתובב במהירות. אם נמתין זמן רב, נראה כי מהירות הסיבוב של המאוורר קטנה. מה הסיבה לכך? כנראה שהתהליך מואט, כי הפרש הטמפרטורות בין שני מיכלי המים קטן. גם אם המיכלים מבודדים מן הסביבה, הרי בזמן שהמתקן פועל מועברת אנרגיה מן המיכל בו הטמפרטורה גבוהה יותר אל המיכל בו הטמפרטורה נמוכה יותר. חלק מן החום הופך לאנרגיה חשמלית שגורמת לסיבוב המאוורר, אך חלק ניכר מגיע למיכל הקר יותר. כתוצאה מכך עולה הטמפרטורה של מיכל זה. מסתבר שתוך כדי פעולתו של המתקן יורדת הטמפרטורה של המים במיכל החם ועולה הטמפרטורה של המים במיכל הקר. הפרש הטמפרטורות בין שני המיכלים קטן והנצילות של התהליך יורדת. לכן אם רוצים שהמכונה (המתקן) תתמיד לפעול לאורך זמן, צריך כל הזמן לדאוג שטמפרטורת המים במיכל החם תהיה גבוהה, ואילו את המיכל השני (בו המים הקרים יותר) יש לקרר כדי לשמור שטמפרטורת המים שם לא תעלה. זהו עיקרון פעולתם של מנוע קיטור, או תחנת כוח תרמו-אלקטרית.

בתחנת כוח תרמו-אלקטרית שורפים פחם או מזוט ומחממים מיכל מים, מתקבל קיטור בטמפרטורה גבוהה. הקיטור זורם ומניע טורבינה, שמפעילה גנרטור ליצירת חשמל. הקיטור שעובר מן המיכל בו הטמפרטורה גבוהה, למיכל בו הטמפרטורה נמוכה, מתקרר ומתעבה. כדי לשמור על טמפרטורה נמוכה של מיכל זה, מקררים אותו באמצעות איוורור, או על ידי הזרמת מים קרים. זאת הסיבה שבדרך כלל מקימים תחנות כוח כאלה על שפת נהרות, או ימים, ומשתמשים במים אלה לקירור, וכך שומרים על טמפרטורה נמוכה קבועה במיכל הקר.

נוכחנו כי קיימים מתקנים בהם מושקע חום ומופקות צורות אנרגיה אחרות, למתקנים אלה קראנו מכונות חום. בכל המכונות האלה משקיעים חום הנפלט בעת שריפת דלק ומפיקים אנרגיה מכנית. תנאי הכרחי לפעולתן של מכונות חום הוא זרימת חום ממאגר בטמפרטורה גבוהה למקום בו הטמפרטורה נמוכה יותר. רק כאשר יש מעבר חום, אפשר להפוך חלק מן החום לאנרגיה שמישה אחרת. על מנת לקיים בין הגופים הפרש טמפרטורות, צריך לספק לגוף החם אנרגיה באופן רצוף, אבל מתברר, שחלק מן החום חייב תמיד לזרום לגוף הקר, מבלי שנוכל להפוך אותו לאנרגיה אחרת.