Теплови́й двигу́н (англ. heat engine) — теплова машина для перетворення теплової енергії в механічну роботу. Для виконання двигуном роботи необхідно створити різницю тисків між обома сторонами поршня двигуна чи лопастей турбіни. Процеси, що відбуваються при роботі теплового двигуна описуються законами термодинаміки.До другої половини XVIII століття люди використовували для потреб виробництва в основному водяні двигуни. Оскільки передавати механічний рух від водяного колеса на великі відстані неможливо, усі фабрики доводилося будувати на берегах рік, що не завжди було зручно. Крім того, для ефективної роботи такого двигуна часто були потрібні дорогі підготовчі роботи. Відповідно першим механічним двигуном, що знайшов широке практичне застосування та дав поштовх розвитку техніки, був тепловий двигун, який перетворював внутрішню енергію водяної пари в механічну роботу.
До кінця XVIII ст. в загальних рисах існували всі основні види теплових двигунів:
- парові машини;
- двигун внутрішнього згоряння (машина Дені Папена);
- парові турбіни Джовані Бранка;
- реактивний двигун (Геронова куля).
Однак ступені досконалості цих машин, а відповідно і застосування, були далеко не однаковими. Якщо парові машини після їх вдосконалення, внесеного Уаттом, мали велике поширення на заводах і фабриках, теплоходах та тепловозах, то парові турбіни, реактивні двигуни були всього лише іграшками, а двигуни внутрішнього згорання існували в проєктах, часто не здійснених.
У середині ХІХ ст. парові машини, як дуже неекономічні (ККД приблизно 15…20 %), почали витіснятися іншими двигунами: паровими та газовими турбінами, двигунами внутрішнього згорання.
Перші практично придатні парові турбіни з'явилися наприкінці ХІХ ст. завдяки зусиллям швецького інженера Густафа де Лаваля та багатьох інших винахідників. Вони працювали за тим же принципом, що і двигун Джованні Бранка. Коефіцієнт корисної дії газових турбін, де працює не водяна пара, а попередньо розжарений газ, досягав 40 %. Паралельно з турбінами були створені й реальні зразки двигунів внутрішнього згорання, ККД яких досягав 45 %. А в 40-х роках ХХ ст. почався бурхливий розвиток реактивних двигунів.
Такий бурхливий розвиток теплових двигунів вимагав обґрунтування і сприяв розвитку наукових досліджень теплових явищ.
