Eine Wärmekraftmaschine (Wärmeenergiemaschine) ist eine Maschine, die Wärmeenergie in kinetische oder elektrische Energie umsetzt. Beispiele sind Verbrennungsmotoren (Verbrennungskraftmaschinen) und Kraftwerke. Thermodynamisch beschreibt man die Vorgänge in einer Wärmekraftmaschine anhand von Kreisprozessen.
Eine Wärmekraftmaschine wird meist mit chemischer Energie (Energieträger: Benzin, Kohle, Erdöl, Gas) „gefüttert“, die im ersten Schritt durch Verbrennung in Wärmeenergie umgewandelt wird. Anschließend kommt der eigentliche Arbeitsschritt der Wärmekraftmaschine: die Wandlung von Wärme in gerichtete Bewegungsenergie. Wärmeenergie ist – energietechnisch gesehen – minderwertiger als chemische und auch als mechanische Energie, dies bedeutet, dass zwar (fast) die gesamte chemische Energie in Wärmeenergie umgesetzt werden kann, nicht aber die gesamte Wärmeenergie in mechanische Energie oder Elektrizität.
Das Verhältnis aus erzeugter mechanischer Arbeit (bzw. elektrischer Energie) und eingesetzter Wärme wird Wirkungsgrad genannt. Er ist umso größer, je höher die Verbrennungstemperatur ist, aber immer deutlich kleiner als 1.