Ένας κινητήρας εξωτερικής καύσης είναι ένας παλινδρομικός κινητήρας για τον οποίο η καύση λαμβάνει χώρα έξω από τους κυλίνδρους. Ένα πρώιμο παράδειγμα είναι η ατμομηχανή, η οποία τυπικά έκαιγε άνθρακα έξω από τη μηχανή για να μετατρέψει το νερό σε ατμό. Ο κινητήρας Stirling είναι ένας κινητήρας εξωτερικής καύσης που χρησιμοποιεί ένα λειτουργικό ρευστό για την κίνηση των εμβόλων σε κυλίνδρους. Σε έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης, από την άλλη πλευρά, ένα καύσιμο καίγεται μέσα στους κυλίνδρους του κινητήρα. Αν και οι ατμομηχανές έχουν αντικατασταθεί σε μεγάλο βαθμό, οι μηχανές Stirling έχουν πολλές πιθανές εφαρμογές.
Ενώ τα αέρια καύσης δεν εισέρχονται στους κυλίνδρους μιας μηχανής εξωτερικής καύσης, πρέπει να βρίσκονται σε θερμική επαφή με τον κινητήρα για να λειτουργήσει. Σε ατμομηχανή, η θερμότητα από την καύση άνθρακα μεταφέρεται στο νερό μέσω των τοιχωμάτων ενός λέβητα. Αυτή η θερμότητα μετατρέπει το νερό σε ατμό, ο οποίος κατευθύνεται στους κυλίνδρους του κινητήρα. Την κατάλληλη στιγμή, ο ατμός πιέζει ένα έμβολο που περιστρέφει έναν στροφαλοφόρο άξονα. Με αυτόν τον τρόπο, μια ατμομηχανή μετατρέπει τη χημική ενέργεια που αποθηκεύεται στον άνθρακα σε μηχανική ενέργεια ενός περιστρεφόμενου στροφαλοφόρου άξονα.
Η μηχανή Stirling είναι παρόμοια με την ατμομηχανή, με τη διαφορά ότι χρησιμοποιεί ένα αέριο που περιέχεται μόνιμα και όχι έναν ατμό μιας χρήσης για την ώθηση των εμβόλων. Λειτουργεί με την ανταλλαγή θερμότητας σε διαφορετικές θέσεις των κυλίνδρων του. Η θερμότητα διέρχεται από ένα τοίχωμα κυλίνδρου και θερμαίνει το αέριο εργασίας, το οποίο τείνει να ωθήσει το έμβολο για να δημιουργήσει ισχύ. Όταν ένα έμβολο χρειάζεται να επιστρέψει στην αρχική του θέση, ένας εναλλάκτης θερμότητας επιτρέπει στο διπλανό αέριο να κρυώσει.
Ο κινητήρας εξωτερικής καύσης είχε ποικίλες εφαρμογές τους τελευταίους δύο αιώνες. Η ατμοηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιήθηκε εκτενώς σε εργοστάσια καθώς και σε πλοία και τρένα κατά τη διάρκεια της Βιομηχανικής Επανάστασης, αντικαθιστώντας σε μεγάλο βαθμό τους τροχούς νερού και τους ζωικούς μυς ως πηγές ενέργειας. Ενώ οι ατμομηχανές τελικά ξεπεράστηκαν από μηχανές εσωτερικής καύσης, παρέμειναν η κύρια πηγή ενέργειας στον 20ό αιώνα.
Ο κινητήρας Stirling έχει εφαρμοστεί ακόμα πιο ευέλικτα. Μετατρέποντας την περιστροφική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια, μπορεί να εκμεταλλευτεί μια πηγή θερμότητας για συνδυασμένη παραγωγή θερμότητας και ενέργειας. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί αντίστροφα ως αντλία θερμότητας—παίρνοντας ηλεκτρική ενέργεια και διώχνοντας θερμότητα.
Δεδομένου ότι ο κινητήρας Stirling μεταφέρει θερμότητα, όχι ουσία, στους κυλίνδρους του, δεν απαιτεί καύση ως πηγή θερμότητας. Άλλες μορφές θερμότητας χωρίς καύση, όπως η πυρηνική ενέργεια, θα μπορούσαν να λειτουργήσουν εξίσου καλά με αυτό το είδος κινητήρα. Στην πραγματικότητα, έχει προταθεί ότι οι μελλοντικοί πυρηνικοί σταθμοί μπορούν να ενσωματώσουν τον κινητήρα εξωτερικής καύσης Stirling για να απλοποιήσουν τον σχεδιασμό και να αυξήσουν την αποδοτικότητα.