Тепловой двигатель — тепловая машина, использующая теплоту от внешних источников (двигатель внешнего сгорания) или получаемую при сгорании топлива внутри двигателя (в камере сгорания или цилиндрах двигателя внутреннего сгорания) для преобразования в механическую энергию (поступательное движение либо вращение выходного вала).
В соответствии с законами термодинамики, такие двигатели имеют коэффициент полезного действия меньше единицы, что означает неполное преобразование теплоты в механическую энергию. Смотря по конструкции двигателя, от 40 % до 80 процентов поступающей (или выделяющейся внутри) энергии покидает машину в виде низкотемпературной теплоты, которая в ряде случаев используется для обогрева салона (наземный транспорт - автомобили с водяным охлаждением двигателя и автобусы), жилых зданий и сооружений (для неподвижных стационарных двигателей или же для ТЭЦ и АТЭЦ), либо просто выбрасывается в окружающую среду (авиационные двигатели, маломощные двигатели мотоинструмента (бензопилы, газонокосилки, триммеры, путевые шуруповёрты, виброплиты, культиваторы, мотоблоки), двигатели мотоциклов, скутеров, мопедов, квадроциклов, гидроциклов, лодочных моторов, автомобилей с воздушным охлаждением (ЗАЗ-965, Volkswagen Beetle) и подобные, конденсационные электростанции, АЭС), возможна и тригенерация, как на газопоршневых электростанциях в комбинации с абсорбционной холодильной машиной. В таких случаях говорят о коэффициенте использования тепла топлива, который выше КПД самого двигателя[1].
Важным аспектом любого теплового двигателя является вид и количество потребляемого им топлива, а также обусловленное этим загрязнение окружающей среды. Паросиловые установки (тепловые двигатели, работающие по циклу Ренкина), преобразующие теплоту атомного реактора (или использующие геотермальную энергию), термодинамические радиоизотопные генераторы (использующие двигатель Стирлинга или также цикл Ренкина, и получающие теплоту от радиоактивного источника, обладающего очень большой активностью) и солнечные электростанции термодинамического типа топлива не сжигают, остальные же зависят от имеющихся энергоносителей, которые во многих случаях транспортируются издалека. Совокупность имеющихся в государстве тепловых двигателей (преобразующих энергию для вторичных двигателей, обычно электрическую) мест добычи топлива и транспортной инфраструктуры для его транспортировки называется топливно-энергетическим комплексом. Тепловые двигатели являются первичными, в отличие от вторичных (электрические, гидромоторы, и другие, получающие энергию от первичных)[2].