On désigne par les machines thermiques des appareils ayant pour objectif de faire en sorte qu'un fluide (système thermodynamique) échange de chaleur et du travail avec son milieu extérieur. Les machines thermiques font subir à des fluides des transformations qui constituent des cycles fermés ou ouverts. Lorsque la machine échange de la matière avec son environnement, elle est dite à cycle ouvert (cas du moteur à combustion interne). Dans le cas contraire, elle est dite à cycle fermé, on cite à titre d'exemples les machines à vapeur, les machines frigorifiques et les pompes à chaleur.

Dans une autre classification, une machine est dite machine thermo-dynamique (machine motrice) si, elle a fourni un travail au milieu extérieur (moteur à combustion interne, turbine à gaz, turbine à vapeur), elle est dite machine dynamo-thermique (réceptrice) dans le cas inverse (par exemple : machine frigorifique, pompe à chaleur).

Les machines thermiques peuvent être, des machines monothermes (compresseur, chauffage électrique) ou des machines dithermes (machine à vapeur, machine frigorifique....).

Nous n'examinerons dans ce chapitre que les machines thermiques à cycle fermé dithermes et à vapeur. Pour ceux à cycle ouvert (Exemple : moteurs à combustion interne), il suffit de travailler sur une masse bien déterminée du fluide moteur. Les échanges de chaleur s'effectuent entre deux sources de chaleur sous des températures différentes (voir chapitre suivant).