Šilumos variklis yra įrenginys, naudojamas šiluminei energijai arba šilumai paversti mechaniniu darbu. Tai daroma, kai šiluma, kilusi iš karšto šaltinio, patenka per patį variklį ir patenka į šaltą kriauklę. Šalta kriauklė yra žemesnės temperatūros termodinaminio ciklo dalis, pvz., kondensacinis įrenginys, esantis Rankine arba garų cikle. Yra daug skirtingų šilumos variklių tipų, kurių kiekvienas turi savo specifinį ciklą. Kai kurie šilumos variklių pavyzdžiai būtų garo ir vidaus degimo varikliai, taip pat Stirlingo varikliai ir dujų turbinos.
Paprastai šilumos variklis bus painiojamas su termodinaminiu ciklu, vykstančiu pačiame variklyje. Taip yra daugiausia todėl, kad šiluminiai varikliai dažnai klasifikuojami pagal specifinius termodinaminius ciklus. Pats prietaisas, paverčiantis šiluminę energiją į darbą, yra žinomas kaip „variklis“, o varikliui taikomas termodinaminis modelis yra „ciklas“. Dėl šios priežasties garo varikliai nėra vadinami Rankine varikliais.
Veiksmingas šilumos variklis stengsis kiek įmanoma geriau imituoti atitinkamą ciklą. Kuo didesnis temperatūros skirtumas tarp karšto šaltinio ir šalto kriauklės ciklo metu, tuo efektyvesnis variklis. Pavyzdžiui, efektyviam garo varikliui reikalingas ir aukštos temperatūros šilumos šaltinis, ir žemos temperatūros šalta kriaukle. Rankine cikle katilas naudoja aukštos temperatūros degiklį, kad vandenį paverstų garais. Šie garai praeina per variklį ir vėl kondensuojami į vandenį per žemos temperatūros kondensatorių.
Kuo šaltesnis kondensatorius, tuo daugiau garų kondensuosis atgal į vandenį. Taip yra todėl, kad kondensatoriai yra sukurti taip, kad efektyviai pakeistų katilo vykdomą prisotinimo procesą. Tai padės pasiekti didesnį kondensacijos greitį; kuo didesnė norma, tuo daugiau vandens bus grąžinta. Tai padeda padidinti bendrą garų ciklo efektyvumą.
Nors šiluminio variklio efektyvumą galima labai optimizuoti dėl didelio karščio šaltinio ir šalto kriauklės temperatūrų skirtumo, jis vis tiek ribotas. Taip yra todėl, kad šaltos kriauklės temperatūra priklauso nuo ją supančios temperatūros, kuri kai kuriais atvejais negali būti atvėsinta iki idealių sąlygų. Dėl šios priežasties šiluminio variklio efektyvumas apsiriboja šalčio kriauklės temperatūros ribomis. Dažnas sprendimas yra padidinti karšto šaltinio temperatūrą; tačiau net ir tai apsiriboja medžiagos stiprumo stoka aukštoje temperatūroje.
Šiluminio variklio efektyvumas skiriasi priklausomai nuo konkretaus variklio ir ciklo. Šiluminis efektyvumas svyruoja nuo 3% iki maždaug 70%, o automobilių variklių šiluminis efektyvumas siekia maždaug 25%. Veiksmingesni šilumos varikliai yra didelėse elektrinėse, kur elektrai gaminti naudojamos ir dujų, ir garo turbinos.