Назначение любого теплового двигателя совершать механическую работу за счет тепловой энергии при помощи рабочего тела. В тепловых двигателях совершается круговой процесс. При этом рабочее тело получает в источнике тепловую энергию, которая при расширении рабочего тела в двигателе превращается в кинетическую, приводя в движение механическое устройство двигателя, затем рабочее тело охлаждается в холодильнике и возвращается в источник.

По способу преобразования тепловой энергии в работу различают тепловые двигатели поршневого, роторного и реактивного типа.

В поршневом двигателе основным рабочим элементом служит поршень, помещаемый в цилиндр и совершающий возвратно-поступательное движение под действием рабочего тела. В цилиндре энергия рабочего тела при его расширении непосредственно преобразуется в энергию движения поршня.

Поршневой двигатель, в котором в качестве рабочего тела используется водяной пар, называется паровой машиной. Источником теплоты для паровой машины служит паровой котел, вырабатывающий сухой насыщенный или перегретый пар, а холодильником — конденсатор, куда выпускается пар после совершения работы в цилиндре.
Поршневой двигатель, в котором в качестве рабочего тела используются газы — продукты сгорания топлива, — называется двигателем внутреннего сгорания. Теплота рабочему телу передается непосредственно в цилиндре двигателя, который одновременно является камерой сгорания топлива. Холодильником служит окружающая среда, куда выпускаются газы после расширения их в цилиндре двигателя.

В двигателях роторного типа, называемых турбинами, основным рабочим элементом является вращающийся ротор, приводимый в движение потоком рабочего тела при его истечении из сопловых устройств на лопатки ротора. В турбинах тепловая энергия рабочего тела сначала преобразуется в кинетическую энергию струи, а затем в механическую энергию вращения вала.

Турбины, в которых в качестве рабочего тела используется водяной пар, называются паровыми, а в которых продукты сгорания топлива — газовыми.

Источником теплоты для паровой турбины служит паровой котел, а холодильником — конденсатор. Для газовых турбин источником тепла является камера сгорания, в которой сжигается топливо. После отработки в газовой турбине продукты сгорания либо выбрасываются в атмосферу, либо снова подводятся в камеру сгорания.

В двигателях реактивного типа источником теплоты является камера сгорания. Превращение тепловой энергии в реактивную силу происходит в соплах, устанавливаемых на выходе газов из камеры сгорания в атмосферу. Приложенная непосредственно к двигателю реактивная сила массы газов перемещает его в направлении, противоположном направлению истечения газов.

В энергетике в качестве тепловых двигателей наибольшее распространение получили стационарные паровые и газовые турбины, используемые для производства электрической энергии.