Eine Wärmekraftmaschine ist ein Gerät, das verwendet wird, um thermische Energie oder Wärme in mechanische Arbeit umzuwandeln. Dies geschieht, wenn Wärme, die von einer heißen Quelle stammt, durch den Motor selbst und in eine kalte Senke gelangt. Die Kältesenke ist der Teil eines thermodynamischen Kreislaufs mit niedrigerer Temperatur, wie z. B. die Verflüssigungseinheit im Rankine- oder Dampfkreislauf. Es gibt viele verschiedene Arten von Wärmekraftmaschinen, von denen jede ihren eigenen spezifischen Zyklus hat. Einige Beispiele für Wärmekraftmaschinen umfassen Dampf- und Verbrennungsmotoren sowie Stirling-Motoren und Gasturbinen.
Üblicherweise wird eine Wärmekraftmaschine mit dem thermodynamischen Zyklus verwechselt, der innerhalb des Motors selbst stattfindet. Dies liegt vor allem daran, dass Wärmekraftmaschinen oft nach ihren spezifischen thermodynamischen Zyklen klassifiziert werden. Das Gerät selbst, das Wärmeenergie in Arbeit umwandelt, wird als „Motor“ bezeichnet, während das thermodynamische Modell, das auf den Motor angewendet wird, der „Zyklus“ ist. Aus diesem Grund werden Dampfmaschinen nicht als Rankine-Maschinen bezeichnet.
Eine effiziente Wärmekraftmaschine wird versuchen, ihren jeweiligen Zyklus so gut wie möglich nachzuahmen. Je höher die Temperaturdifferenz zwischen der heißen Quelle und der kalten Senke innerhalb des Zyklus ist, desto effizienter ist der Motor. Eine effiziente Dampfmaschine benötigt beispielsweise sowohl eine Hochtemperatur-Wärmequelle als auch eine Niedertemperatur-Kühlsenke. Beim Rankine-Zyklus verwendet ein Kessel einen Hochtemperaturbrenner, um Wasser in Dampf umzuwandeln. Dieser Dampf geht durch den Motor und wird dann durch einen Niedertemperaturkondensator wieder zu Wasser kondensiert.
Je kälter der Kondensator ist, desto mehr Dampf wird wieder zu Wasser kondensiert. Dies liegt daran, dass Kondensatoren den vom Kessel durchgeführten Sättigungsprozess effektiv umkehren. Dadurch werden höhere Kondensationsraten erreicht; je höher die Rate ist, desto mehr Wasser wird zurückgegeben. Dies trägt dazu bei, die Gesamteffizienz des Dampfkreislaufs zu erhöhen.
Der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine kann zwar durch einen großen Temperaturunterschied zwischen heißer Quelle und kalter Senke stark optimiert werden, ist aber noch begrenzt. Dies liegt daran, dass die Temperatur der Kühlsenke von der Umgebungstemperatur abhängt, die in einigen Situationen nicht auf ideale Bedingungen gekühlt werden kann. Dadurch ist der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine auf die Temperaturgrenzen der Kältesenke beschränkt. Eine übliche Lösung hierfür besteht darin, die Temperatur der heißen Quelle zu erhöhen; aber auch dies beschränkt sich auf mangelnde Materialfestigkeit bei hohen Temperaturen.
Der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine variiert in Abhängigkeit von dem spezifischen Motor und Zyklus. Der thermische Wirkungsgrad reicht von 3 % bis etwa 70 %, wobei Automotoren einen thermischen Wirkungsgrad von etwa 25 % erreichen. Die effizienteren Wärmekraftmaschinen finden sich in Großkraftwerken, wo sowohl Gas- als auch Dampfturbinen zur Stromerzeugung eingesetzt werden.