Een warmtemachine of een warmtemotor is een machine waarmee mechanische arbeid kan worden geleverd door de warmte van een hogere temperatuur te laten stromen naar een lagere temperatuur. De stroming van deze warmte vind plaats via een bron met een hogere temperatuur naar een afvoer met een lagere temperatuur en wordt in een warmtemachine (werklichaam) omgezet in mechanische arbeid oftewel beweging. De machine maakt gebruik van het verschil van temperatuur die aanwezig is in twee systemen.
Rendement
Tijdens het omzetten van dit temperatuurverschil in bruikbare arbeid wordt echter niet alle warmte benut. Het rendement van energie is altijd lager dan honderd procent. Dat heeft te maken met de Tweede Hoofdwet van de thermodynamica. Bij het proces van warmte-omzetting in arbeid moet de totale entropieverandering van de warmtemachine en zijn omgeving groter zijn dan nul. Er wordt in de warmtemachine slechts een deel van de warmte in arbeid veranderd. Daarbij wordt gebruik gemaakt van de eigenschappen van de vloeistof of het gas in de warmtemotor.
Soorten warmtemachines
Er zijn warmtemachines die de warmte zelf in de motor opwekken zoals verbrandingsmotoren waaronder de benzinemotor en de dieselmotor. Bij deze motoren wordt er een brandstofmengsel verbrand om de motor in beweging te krijgen. Daarnaast is ook de stoommachine een voorbeeld van een warmtemachine.