Lämpömoottori on laite, jota käytetään muuttamaan lämpöenergia tai lämpö mekaaniseksi työksi. Tämä tehdään, kun kuumasta lähteestä peräisin oleva lämpö kulkee itse moottorin läpi ja jäähdytyselementtiin. Kylmäallas on termodynaamisen syklin alemman lämpötilan osa, kuten Rankine- tai höyryjakson kondensaatioyksikkö. On olemassa monia erilaisia lämpömoottoreita, joista jokaisella on oma erityinen sykli. Esimerkkejä lämpömoottoreista ovat höyry- ja polttomoottorit sekä Stirling -moottorit ja kaasuturbiinit.
Yleensä lämpömoottori sekoitetaan itse moottorissa tapahtuvaan termodynaamiseen kiertoon. Tämä johtuu pääasiassa siitä, että lämpömoottorit luokitellaan usein niiden erityisten termodynaamisten syklien mukaan. Itse laite, joka muuntaa lämpöenergian työksi, tunnetaan “moottorina”, kun taas moottoriin sovellettava termodynaaminen malli on “sykli”. Tästä syystä höyrykoneita ei kutsuta Rankine -moottoreiksi.
Tehokas lämpömoottori yrittää jäljitellä omaa sykliään mahdollisimman hyvin. Mitä suurempi lämpötilaero kuuman lähteen ja kylmäaltaan välillä on, sitä tehokkaampi moottori on. Esimerkiksi tehokas höyrykone vaatii sekä korkean lämpötilan lämmönlähteen että matalan lämpötilan kylmäaltaan. Rankine-syklissä kattila käyttää korkean lämpötilan poltinta veden muuttamiseksi höyryksi. Tämä höyry kulkee moottorin läpi ja tiivistyy sitten takaisin veteen matalan lämpötilan lauhduttimen kautta.
Mitä kylmempi lauhdutin on, sitä enemmän höyryä tiivistyy takaisin veteen. Tämä johtuu siitä, että lauhduttimet on tehty tehokkaasti kääntämään kattilan kyllästysprosessi. Tämä auttaa saavuttamaan korkeammat tiivistymisnopeudet; mitä korkeampi on, sitä enemmän vettä palautetaan. Tämä auttaa lisäämään höyryjakson yleistä tehokkuutta.
Vaikka lämpömoottorin hyötysuhde voidaan optimoida suuresti lämpölähteen ja kylmälevyn välisen suuren lämpötilaeron kautta, se on silti rajallinen. Tämä johtuu siitä, että kylmäaltaan lämpötila riippuu sitä ympäröivästä lämpötilasta, jota joissakin tilanteissa ei voida jäähdyttää ihanteellisiin olosuhteisiin. Tästä johtuen lämpömoottorin hyötysuhde on rajoitettu kylmäaltaan lämpötilarajoille. Yleinen ratkaisu tähän on kuuman lähteen lämpötilan nostaminen; Silti tämäkin rajoittuu materiaalin lujuuden puutteeseen korkeissa lämpötiloissa.
Lämpömoottorin hyötysuhde vaihtelee moottorin ja syklin mukaan. Lämmön hyötysuhde vaihtelee missä tahansa 3%: sta noin 70%: iin, ja auton moottorit saavuttavat lämpötehon noin 25%. Tehokkaampia lämpömoottoreita löytyy suurista voimalaitoksista, joissa sekä kaasu- että höyryturbiinia käytetään sähkön tuottamiseen.