Máquinas térmicas são dispositivos que transformam a energia interna de um combustível em energia mecânica. Máquinas térmicas convertem calor em trabalho. Elas funcionam em ciclos e utilizam duas fontes de temperaturas diferentes – uma fonte quente e uma fonte fria. Basicamente, o calor flui do reservatório à temperatura elevada (fonte quente) para o reservatório à temperatura mais baixo (fonte fria), obedecendo a Segunda Lei da Termodinâmica, e transformando parte do calor que sai da fonte quente em trabalho. Uma máquina térmica tem maior eficiência se transforma mais calor em trabalho, portanto, rejeita menor calor para a fonte fria. As máquinas térmicas utilizam energia na forma de calor – gás ou vapor em expansão térmica – para provocar a realização de um trabalho mecânico. O cilindro com pistão móvel é, portanto, um dos principais componentes de uma máquina térmica. O gás preso do cilindro sob pressão, quando aquecido, se expande, desloca o pistão e realiza o trabalho. Há diferentes tipos de máquinas térmicas, mas todas elas possuem as seguintes características:

• recebem calor de uma fonte quente, seja um coletor de energia solar, um reator nuclear, uma fornalha a combustível etc.
•  funcionam por ciclos

As máquinas térmicas normalmente utilizam um fluído para receber e ceder calor. Esse fluido é denominado de fluido de trabalho. O trabalho líquido do sistema é a diferença de trabalho da fonte quente e da fonte fria:

W_t= W₂ – W₁

W_t = trabalho líquido ou total da máquina térmica
W₂ = trabalho da fonte quente
W₁ = trabalho da fonte fria

O trabalho pode ser definido a partir das trocas de calor:

W_t= Q₂ – Q₁

Q₂ = calor cedido da fonte quente
Q₁= calor recebido pela fonte fria

O rendimento de uma máquina térmica é a razão entre a potência útil – trabalho produzido pela máquina térmica – e a potência total – calor fornecido à máquina térmica pela fonte quente. Ou seja, o rendimento é o que se obtém pelo que se dá de trabalho. A parte de calor que não é utilizada para a realização de trabalho é cedida à fonte fria, ou é dissipada. Portanto, uma máquina térmica não transforma todo o calor em trabalho. A Segunda Lei da Termodinâmica nos ensina que é impossível transformar todo calor em trabalho, refletindo o fato de que o rendimento de uma máquina térmica é sempre inferior a 100%. O rendimento de uma máquina térmica pode ser calculado ao se saber quanto de trabalho ela produz e quanto de calor é fornecido pela fonte quente. Matematicamente, o rendimento sempre resulta num valor menor que 1 ou 100%:

O rendimento é a eficiência com que uma máquina térmica funciona. O rendimento de máquinas térmicas costuma ser baixo. Exemplos: motores de automóveis têm um rendimento de aproximadamente 30%, motores a diesel, 50%, e grandes turbinas a gas, 80%. A energia que não é aproveitada pela máquina é expulsa para o meio ambiente, na forma de energia “perdida”. O engenheiro francês Nicolas Leonard Sadi Carnot imaginou um ciclo ideal, o Ciclo de Carnot, onde a eficiência da conversão de energia térmica em trabalho mecânico seria máxima. Porém, seus estudos logo apontaram que não havia como evitar a perda de uma quantidade de calor em qualquer máquina a vapor. Esta realização serviu de base para a formulação da Segunda Lei da Termodinâmica.