热泵是通过消耗一部分高品质的能量把热量从低温热源转移到高温热源中的一种装置。转移到高温热源中的热量包括消耗的高品质热量和从低温热源中吸收的热量。在上个世纪初，科学家就提出了热泵的工作原理，为人类使用低温热源指出了方向，目前热泵技术在世界上也已经有了许多方面的应用，国内的应用主要在冷热双效空调产品中，即以室外空气为热源对室内空气进行加热，以达到节能的目的。 热泵不是热能的转换设备，而是热量的搬运设备。目前，常规的热水器有电热水器、燃气（油）热水器、燃油（气）锅炉等，它们都属于热能转换设备。电热水器是把电能转化成热能，燃气（油）热水器和燃油（气）锅炉则是把燃料的化学能转化成热能。根据能量守衡定律，能量转化的理论最高效率为100%，但实际上因为不可避免的存在能量损失，电热水器的效率一般为90～95%，而燃气热水器，因为有高温废气的排放、不完全燃烧及换热效率方面的损失，实际的制热效率仅在60～70%之间。 热泵热水器就是根据热泵原理及技术设计研发的一种热水制取设备，
空气源热泵热水器就是通过消耗少部分电能，把空气中的热量转移到水中的热水制取设备。它利用逆卡诺循环原理，以制冷剂为媒介，通过压缩机的做功，实现低温热能向高温热能的搬运。压缩机排出的高温高压的制冷剂气体在水换热器中冷凝成液体，同时放出大量的冷凝热，冷凝热被水吸收，使得水的温度得以升高，制冷剂液体经过节流元件以后压力大幅降低，在风换热器中吸热蒸发，蒸发所需热量全部来自于空气，全部蒸发完毕的低压制冷剂气体被压缩机吸入，通过压缩机做功后，变成了高温高压的制冷剂气体，重新由压缩机排气口排出，如此往复循环。转移到高温热源中的热量包括消耗的高品质热量和从低温源中吸收的热量。 通过这个过程我们可以进一步看到，热泵不是热能的转换设备而是热量的搬运设备，因此热泵制热的效率，不受能量转换效率(100%为其极限)的制约，而是受到逆向卡诺循环效率的制约，这就是其制热系数可以达到300～500%甚至更高的原因。
逆卡诺循环基本原理：高温高压气态制冷剂经膨胀机构节流处理后变为低温低压的液态制冷剂，进入空气交换机中蒸发吸热，从空气中吸收大量的热量Q2； 蒸发吸热后的制冷剂以气态形式进入压缩机，被压缩后，变成高温高压的制冷剂（此时制冷剂中所蕴藏的热量分为两部分：一部分是从空气中吸收的热量Q2，一部分是输入压缩机中的电能在压缩制冷剂时转化成的热量Q1； 被压缩后的高温高压制冷剂进入热交换器，将其所含热量（Q1+Q2）释放给进入热换热器中的冷水，冷水被加热到60℃直接进入保温水箱储存起来供用户使用； 放热后的制冷剂以液态形式进入膨胀机构，节流降压......如此不间断进行循环。 冷水获得的热量Q3=制冷剂从空气中吸收的热量Q2+驱动压缩机的电能转化成的热量Q1， 在标准工况下:Q2=3.6Q1,即消耗1份电能,得到4.6份的热量。
卡诺定理阐明了热机效率的限制，指出了提高热机效率的方向（提高T1、降低T2、减少散热、漏气、摩擦等不可逆损耗，使循环尽量接近卡诺循环），成为热机研究的理论依据、热机效率的限制、实际热力学过程的不可逆性及其间联系的研究，导致热力学第二定律的建立。 在卡诺定理基础上建立的与测温物质及测温属性无关的绝对热力学温标，使温度测量建立在客观的基础之上。此外，应用卡诺循环和卡诺定理，还可以研究表面张力、饱和蒸气压与温度的关系及可逆电池的电动势等。还应强调，卡诺定理这种撇开具体装置和具体工作物质的抽象而普遍的理论研究，已经贯穿在整个热力学的研究之中。 逆卡诺循环奠定了制冷理论的基础，逆卡诺循环揭示了空调制冷系数（俗称EER或COP）的极限。一切蒸发式制冷都不能突破逆卡诺循环。