Silnik cieplny jest to urządzenie wytwarzające energię mechaniczną oraz elektryczną z energii cieplnej. Czynnikiem pracującym w silniku cieplnym jest ciecz, która charakteryzuje się dużymi zmianami objętości właściwej wraz ze zmianą temperatury i ciśnienia. W zależności od tego, jaki jest rodzaj czynnika pracującego, można rozróżnić silniki spalinowe i parowe. Różne są także sposoby przekształcania energii cieplnej na mechaniczną: tłokowe, turbinowe oraz odrzutowe.
Silnik parowy to najprostszy silnik cieplny. Czynnikiem pracującym jest para wodna, której energia zostaje przekształcona na energię mechaniczną za pomocą tłoka lub wirnika. W silnikach tłokowych para oddziałuje bezpośrednio na tłok, i przesuwając go oddaje mu swoją energię w postaci energii mechanicznej. Ruch tłoka, który jest prostoliniowy, jest przenoszony na ruch obrotowy wału za pomocą mechanizmu korbowego. W silnikach wirnikowych energia z pary przekształcana jest pośrednio: najpierw oddawana jest wirnikowi w postaci energii kinetycznej, a dopiero następnie jest ona przekształcana na pracę mechaniczną wału.
Silnik spalinowo - tłokowy to silnik, w którym energia cieplna paliwa jest przekształcana na pracę mechaniczną za pomocą posuwisto - zwrotnego ruchu tłoka. Silniki takie nazywa się silnikami suwowymi. Suwem tłoka jest przesunięcie tłoka pomiędzy dwoma kolejnymi położeniami, po których następuje zmiana ruchu. Ilość takich ruchów, czyli suwów tłoka, po których zostaje zakończony pełny cykl silnika, może być 2 (silniki dwusuwowe) lub cztery (silniki czterosuwowe). Obecnie stosowane są silniki 4 - suwowe, gdyż mają one dużo większą sprawność. Zaletą silników dwusuwowych jest jednak ich bardzo prosta konstrukcja.
Paliwo w silniku spalinowym tłokowym jest doprowadzane do cylindra. W zależności od rodzaju silnika jest to mieszanka paliwa ciekłego i powietrza (silniki gaźnikowe), mieszanka gazu i powietrza (silniki gazowe) lub czyste paliwo, wtryskiwane do cylindra ze sprężonym powietrzem (silniki wtryskowe). Paliwo jest zapalane za pomocą iskry elektrycznej (zapłon iskrowy) lub rozżarzonego elementu głowicy (głowica żarowa). W niektórych silnikach zapłon następuje samoczynnie w wyniku sprężania paliwa tak, aby jego temperatura przekroczyła temperaturę samozapłonu.
Silnik spalinowy turbinowy przekształca energię cieplną paliwa na pracę za pomocą turbin. W silniku takim występuje co najmniej jedna turbina, zwana turbiną napędową, która wykonuje pracę użyteczną. Silniki turbinowe konstruuje się zazwyczaj tak, że spalanie odbywa się wewnątrz, w komorze spalania. Powietrze potrzebne do spalenia paliwa jest pobierane z otoczenia i sprężane za pomocą sprężarki wirnikowej. Spaliny, sprężone do odpowiedniego ciśnienia i temperatury (wyższych od temperatury otoczenia), wytwarzane są za pomocą wirnikowej lub tłokowej wytwornicy spalin. W wirnikowej wytwornicy spalin sprężone powietrze jest wstrzykiwane do komory spalania. Jednocześnie do komory jest wprowadzane za pomocą wtryskiwacza paliwo. Spaliny są rozprężane w turbinach, a następnie wydalane do otoczenia. Aby uzyskać w takim silniku dużą moc, stosuje się sprężarki oraz turbiny osiowe. Gdy wystarcza mała moc silnika, stosuje się sprężarki promieniste i turbiny osiowe (lub promieniste).
W silnikach spalinowych turbinowych cykl może odbywać się z odzyskiwaniem ciepła lub nie. Cykl z odzyskiwaniem ciepła polega na ogrzewaniu sprężonego powietrza ciepłem ze spalin, które wypływają z turbiny. Jeśli ciepło nie jest odzyskiwane, temperatura paliwa wzrasta tylko w wyniku procesu spalania w komorze.
Silniki odrzutowe to silniki o największej mocy. Służą one do napędzania samolotów oraz rakiet. W silnikach spalinowych siła reakcji strumienia spalin, wypływających z dyszy silnika, jest wykorzystywana bezpośrednio. Siłę spalin wychodzących z dyszy określa się ciągiem silnika.
Silniki odrzutowe zazwyczaj pobierają tlen potrzebny do spalenia paliwa z atmosfery (silniki przelotowe). Nie jest tak w przypadku silników do rakiet kosmicznych, gdyż w próżni nie ma tlenu. Powietrze w silnikach przelotowych jest sprężane adiabatycznie w części wlotowej silnika, za pomocą zmniejszania szybkości przepływu. Dalej powietrze może być sprężane na sprężarce (osiowej lub promienistej). Następnie przedostaje się ono do komory spalania (spalanie izobaryczne).
