열에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 기계 장치를 말한다. 고열원(T1)으로부터 열을 취해 저열원(T2)에 열을 주어(→열원), 그 차를 열역학적인 일(W)로 변화시켜 외부로 나가게 하는 장치로, 증기기관, 내연 기관, 증기 터빈 등의 종류가 있다. 고열원으로부터의 열량을 Q1, 외부로 나오는 일을 W라고 할 때, 열기관의 효율(η)은 (W/Q1)로 정의된다. 저열원으로 주는 열량을 Q2라고 하면 에너지 손실이 없는 이상적 기관에서의 효율은 η= (T1-T2)/T1 = -W/Q1이다. 효율(η)은 고열원으로부터의 열을 일로 바꾸는 비율을 나타내고, 그 값이 클수록 열량을 헛되이 저열원으로 이동시키지 않는 것을 나타낸다.