Η θερμική μηχανή είναι μια συσκευή που χρησιμοποιείται για τη μετατροπή της θερμικής ενέργειας, ή θερμότητας, σε μηχανική εργασία. Αυτό γίνεται όταν η θερμότητα, που προέρχεται από μια καυτή πηγή, περνά μέσα από τον ίδιο τον κινητήρα και σε έναν κρύο νεροχύτη. Ο ψυχρός νεροχύτης είναι το τμήμα χαμηλότερης θερμοκρασίας ενός θερμοδυναμικού κύκλου, όπως η μονάδα συμπύκνωσης που βρίσκεται στον κύκλο Rankine ή ατμού. Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι θερμικών μηχανών, καθένας από τους οποίους έχει τον δικό του συγκεκριμένο κύκλο. Μερικά παραδείγματα κινητήρων θερμότητας θα περιλαμβάνουν ατμομηχανές και κινητήρες εσωτερικής καύσης, μαζί με κινητήρες Stirling και αεριοστρόβιλους.
Συνήθως, ένας θερμικός κινητήρας συγχέεται με τον θερμοδυναμικό κύκλο που λαμβάνει χώρα στον ίδιο τον κινητήρα. Αυτό οφείλεται κυρίως στο ότι οι θερμικές μηχανές ταξινομούνται συχνά με βάση τους συγκεκριμένους θερμοδυναμικούς τους κύκλους. Η ίδια η συσκευή που μετατρέπει τη θερμική ενέργεια σε εργασία είναι γνωστή ως «κινητήρας», ενώ το θερμοδυναμικό μοντέλο που εφαρμόζεται στον κινητήρα είναι ο «κύκλος». Εξαιτίας αυτού, οι ατμομηχανές δεν αναφέρονται ως μηχανές Rankine.
Ένας αποδοτικός θερμικός κινητήρας θα προσπαθήσει να μιμηθεί τον αντίστοιχο κύκλο του όσο το δυνατόν καλύτερα. Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της θερμής πηγής και του ψυχρού νεροχύτη εντός του κύκλου, τόσο πιο αποδοτικός είναι ο κινητήρας. Για παράδειγμα, μια αποδοτική ατμομηχανή απαιτεί τόσο μια πηγή θερμότητας υψηλής θερμοκρασίας όσο και μια κρύα απορρόφηση χαμηλής θερμοκρασίας. Στον κύκλο Rankine, ένας λέβητας χρησιμοποιεί έναν καυστήρα υψηλής θερμοκρασίας για να μετατρέψει το νερό σε ατμό. Αυτός ο ατμός διέρχεται από τον κινητήρα και στη συνέχεια συμπυκνώνεται πίσω στο νερό μέσω ενός συμπυκνωτή χαμηλής θερμοκρασίας.
Όσο πιο κρύος είναι ο συμπυκνωτής, τόσο περισσότερος ατμός θα συμπυκνωθεί πίσω στο νερό. Αυτό συμβαίνει επειδή οι συμπυκνωτές κατασκευάζονται για να αντιστρέφουν αποτελεσματικά τη διαδικασία κορεσμού που διεξάγεται από τον λέβητα. Κάτι τέτοιο θα βοηθήσει στην επίτευξη υψηλότερων ρυθμών συμπύκνωσης. Όσο υψηλότερος είναι ο ρυθμός, τόσο περισσότερο νερό θα επιστραφεί. Αυτό βοηθά στην αύξηση της συνολικής απόδοσης του κύκλου ατμού.
Ενώ η απόδοση του θερμικού κινητήρα μπορεί να βελτιστοποιηθεί σε μεγάλο βαθμό μέσω μιας μεγάλης διαφοράς στις θερμοκρασίες μεταξύ της θερμής πηγής και του κρύου νεροχύτη, εξακολουθεί να είναι περιορισμένη. Αυτό συμβαίνει επειδή η θερμοκρασία του κρύου νεροχύτη εξαρτάται από τη θερμοκρασία που τον περιβάλλει, η οποία σε ορισμένες περιπτώσεις δεν μπορεί να ψυχθεί σε ιδανικές συνθήκες. Εξαιτίας αυτού, η απόδοση μιας θερμικής μηχανής περιορίζεται στα όρια θερμοκρασίας του ψυχρού νεροχύτη. Μια κοινή λύση σε αυτό είναι η αύξηση της θερμοκρασίας της θερμής πηγής. Ωστόσο, ακόμη και αυτό περιορίζεται στην έλλειψη αντοχής υλικού σε υψηλές θερμοκρασίες.
Η απόδοση της θερμικής μηχανής ποικίλλει ανάλογα με τον συγκεκριμένο κινητήρα και τον συγκεκριμένο κύκλο. Η θερμική απόδοση κυμαίνεται από 3% έως περίπου 70%, με τους κινητήρες των αυτοκινήτων να επιτυγχάνουν θερμική απόδοση κάπου γύρω στο 25%. Οι πιο αποδοτικές θερμικές μηχανές βρίσκονται σε μεγάλες μονάδες παραγωγής ενέργειας, όπου χρησιμοποιούνται τόσο αεριοστρόβιλοι όσο και ατμοστρόβιλοι για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.