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熱機関（ねつきかん、heat engine）は、燃料の化学的エネルギーを燃焼という過程を通して機械的エネルギーに変換する原動機。燃焼ガスが直接ピストンを押すなどの仕事をするものを内燃機関と呼ぶ（ガソリン機関など）。一方、熱交換器により燃焼ガスの熱を作動ガスに与え、この作動ガスがピストンを押すなどの仕事をするものを外燃機関と呼ぶ（蒸気機関など）。内燃機関は熱効率が良い反面、燃料の性質に制約がある（セタン価、オクタン価）。一方、外燃機関は熱効率が低いが、燃料は液体（重油）でも固体（石炭）でもよく自由度がある。また、作動ガスのエネルギーを仕事として取り出す際、主としてガスの流速による場合、速度形（ジェット、ガスタービン、蒸気タービン等）と呼び、容積変化によるものを容積形（ガソリン、ディーゼル、ロータリー等）と呼ぶ。
熱機関の例
外燃機関
;蒸気機関:水をボイラで加熱し、過熱水蒸気にしてシリンダーに注入することでピストンを往復運動させる機関。
;蒸気タービン:水をボイラで加熱し、過熱水蒸気にしたものをタービン(羽根車)に吹き付けて直接回転運動を得る機関。
;スターリングエンジン:二つのシリンダー内の作動気体を外部の熱源で交互に加熱・冷却することにより差動的にピストンを往復運動させる機関。
内燃機関
;ガソリンエンジン(オットー機関):燃料(ガソリン)と空気の混合気をシリンダ内で圧縮したあと燃焼・膨張させてピストンを往復運動させる機関。
;ディーゼルエンジン(ディーゼル機関):空気を圧縮したシリンダ内に燃料(軽油)を噴射して燃焼・膨張させてピストンを往復運動させる機関。
;ガスタービンエンジン:空気圧縮機で空気を圧縮したところに燃料を噴射して燃焼させた高温気体を、タービン(羽根車)に吹き付けて直接回転運動を得る機関。
;ターボジェットエンジン:ガスタービンの作動流体をタービン後方から噴射して推力を得る機関。
;ターボファンエンジン:ガスタービンの作動流体をタービン後方から噴射する推力に加え、タービンの回転軸で空気圧縮機前方に配置した推進ファンを回転駆動することで主な推力を得る機関。
;ターボプロップエンジン:ガスタービンの作動流体をタービン後方から噴射する推力に加え、タービンの回転軸で空気圧縮機前方に配置したプロペラを回転駆動することで主な推力を得る機関。