热机是一种通过循环往复的过程，将热转化为机械功（物理学）的装置。它从高温热源获得能量，输出有用功，并将剩余能量排放到低温冷源。蒸汽机、活塞式发动机和燃气轮机都是热机的例子。热机的运行遵循热力学规律，这些规律既规定了能量收支关系，也确立了转换效率的根本极限。(openstax.org)
工作原理
热机使用一种工作物质，通常是气体或蒸气，其温度、压强和体积在运行过程中发生变化。受热和膨胀使工作物质能够对活塞或涡轮叶片施加力。由此产生的功有一部分必须用于压缩、泵送或其他维持运行所必需的过程；剩余的净功才是有用输出。在一个完整循环中，工作物质回到初始热力学状态。(assets.openstax.org)
理想化的热机从高温热库吸收热量 (Q_h)，并向低温热库排出热量 (Q_c)。若这两个量均取正值，则根据热力学第一定律，有
[ W_{\mathrm{net}}=Q_h-Q_c. ]
工作物质的内能在一个完整循环中的净变化为零。因此，热机的热效率为
[ \eta=\frac{W_{\mathrm{net}}}{Q_h} =1-\frac{Q_c}{Q_h}. ]
这一定义衡量的是输出功与输入热量的比值，而不是输出功与机器内部所有流转能量的比值。(openstax.org)
对于经历准静态循环的简单可压缩物质，净边界功可表示为 (\oint p,dV)，即压强—体积图上循环曲线所围成的有向面积。功率是单位时间内输出的功：提高循环频率可以增大功率，但不一定提高效率。(www1.grc.nasa.gov)
热力学极限
热力学第二定律指出，不可能存在这样一种循环工作的热机，其唯一效果是从单一热库吸热，并将所吸收的热量全部转化为功。因此，向外排热并不只是工程技术不完善的结果。即使是理想热机，只要在两个绝对温度均为正的热库之间运行，也必须排出一部分热量。(openstax.org)
这一极限可以通过熵来表述。虽然工作物质在每个循环结束后都恢复到初始熵值，但热机及其周围环境的总熵变不可能为负。对于两个热库，有
[ \frac{Q_c}{T_c}-\frac{Q_h}{T_h}\geq 0. ]
当整个过程为可逆过程时，等号成立；不可逆运行会产生熵，并减少能够获得的输出功。(openstax.org)
萨迪·卡诺于1824年提出的卡诺循环提供了可逆循环的基准。它由两个等温过程和两个可逆的绝热过程组成，绝热过程中不发生热量传递。其效率为
[ \eta_{\mathrm{Carnot}}=1-\frac{T_c}{T_h}, ]
其中温度以开尔文为单位。在同样两个恒温热库之间运行的任何热机，其效率都不可能超过这一数值。该结果只取决于热库的温度，而与工作物质无关。(openstax.org)
例如，若两个热库的温度分别为600 K和300 K，则最高效率为50%。提高热源温度或降低冷源温度，能够提高理论效率上限，但不能据此确定实际热机的效率。(openstax.org)
主要类型与循环
不同热机向工作物质供热的方式，以及通过膨胀做功的方式各不相同。蒸汽机通过锅炉获得热量，而内燃机则在其工作气体内部释放燃料的能量。理想化循环用于描述这些热机的热力学行为，并不重现实际燃烧或流体流动的所有细节。(openstax.org)
- 蒸汽动力系统：汽轮机通常在朗肯循环中运行。泵对液态水加压，锅炉将其加热成蒸汽，蒸汽通过汽轮机膨胀，随后由冷凝器使其恢复为液态。这样，吸热、膨胀、排热和泵送分别由不同的部件完成。(arxiv.org)
- 火花点火式活塞发动机：奥托循环以压缩、膨胀以及理想化的定容吸热和放热过程来建立模型。实际发动机还需要进气和排气过程，且燃烧需要一定时间，并存在机械损失。(www1.grc.nasa.gov)
- 燃气轮机：布雷顿循环以压缩、近似定压吸热、膨胀和放热过程来建立模型。燃气轮机由压气机、燃烧室和涡轮组成；涡轮输出的一部分用于驱动压气机。实际的开式流动机械吸入新鲜空气并排出废气，而不是让同一份气体循环流动。(grc.nasa.gov)
实际性能与相关装置
由于摩擦、非理想的压缩和膨胀、压力损失，以及有限温差下的传热，实际热机的效率低于可逆极限。提高工作温度能够改善效率，但涡轮材料的性能和冷却要求限制了高温的使用。轴功输出既可直接驱动机械，也可用于带动发电机。(www1.grc.nasa.gov)
联合循环发电厂利用燃气轮机的排气产生蒸汽，以进一步发电。它从原本会随排气流失的能量中获取更多的功，但并没有消除热力学对排热的要求。(eia.gov)
热泵或制冷机执行与热机相反的任务：消耗功，将热量从温度较低的区域转移到温度较高的区域。其性能系数比较的是转移的热量与消耗的功，而不是采用热机效率的定义。(openstax.org)
历史发展
实际热机的发展推动了热力学理论的形成。早期蒸汽机因反复加热和冷却气缸而浪费燃料。詹姆斯·瓦特于1765年研制出独立冷凝器，并于1769年获得专利，使蒸汽能够在高温工作气缸之外冷凝。卡诺后来的研究将关注点从具体的机械结构转向限制热转化为功的一般条件。(collection.sciencemuseumgroup.org.uk)