Máquina térmica, em termodinâmica, é aquela integrada num sistema que realiza a conversão de calor (energia térmica) em trabalho mecânico. Isto se dá quando uma fonte de calor leva uma substância de trabalho de um estado de baixa temperatura para um estado de temperatura mais alta. A substância de trabalho (normalmente gás ou vapor em expansão térmica) transfere essa energia através de sua expansão no interior da máquina térmica acionando o sistema mecânico (pistão, rotor ou outro) e realizando trabalho. Durante essa expansão, a substância de trabalho perde calor para o meio.

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

${\displaystyle \ W_{t}=Q_{1}-Q_{2}}$ (1)

onde ${\displaystyle Q_{1}}$ e ${\displaystyle Q_{2}}$ são respectivamente o calor cedido da fonte quente e o calor recebido pela fonte fria.

Apesar de sua limitação de eficiência, têm uma grande vantagem que são várias formas de energia que podem ser transformadas em calor como reações exotérmicas (como combustão), absorção de luz de partículas energéticas, fricção, dissipação e resistência. Como a fonte de calor que abastece a energia térmica da máquina pode ser gerada virtualmente por qualquer tipo de energia, estas são extremamente versáteis e como enorme gama de aplicação.