A hőerőgépek lényege
Az, hogy a mechanikai munkavégzés korlátlanul "hővé" (azaz belső energiává, termikus energiává) alakítható, már 200 éve, Rumford és Davy kísérletei óta világos. Nem is lehet rajta nagyon meglepődni, hiszen ez mindennapi tapasztalat: ha a két kezünket erősen összedörzsöljük (amikor is a súrlódási erő munkát végez), ettől a két tenyerünk felmelegszik.
A fordított folyamatra viszont, amikor a belső energia csökkenése "munkavégzést idéz elő", alig van hétköznapi, természetben megfigyelhető tapasztalat (leginkább csak olyan jelenségek, amikor a hirtelen hőfejlődés szétrobbant, szétlök valamit). Az $U$ belső energia (termikus energia) ugyanis "rendezetlen" energiafajta: a részecskék (atomok, molekulák, elektronok) sebessége össze-vissza irányú és nagyságú, véletlenszerű. Mégis, ennek a rendezetlen energiának egy része a hőerőgépekben mechanikai munkavégzéssé alakítható, ami pedig "rendezett" enegiaátadást jelent. Hiszen amikor egy erő munkát végez egy testen, akkor a 'megtolt" test (például a benzinmotorban a forró égéstermék gáz által megtolt dugattyú) a mozgásienergia-változása sorén rendezett energiát kap (vagy veszít). Ugyanis a mechanikai mozgási energiánál a test minden atomjának ugyanazon irányú a sebessége. Tehát a rendezetlen belső energia mechanikai munkavégzéssé alakítása során valami "rendezettséget növelő" mozzanat következik be, ami hajmeresztő dolog! Nem is lehetséges ciklikusan 100%-ban (erről majd a hőtan 2. főtétele fog szólni).
Ezt a kettősséget szemlélteti az alábbi ábra:
A hőerőgépek olyan rendszerek, melyek rendezetlen termikus energiát (belső energiát, "hőt") használnak fel, és annak egy részét (átalakítva) mechanikai munkavégzés formájában adják le, a többi részt pedig termikus energia ("hő") formájában adják le, ez az ún. hulladékhő.
A hőerőgépek csoportosítása
A hőerőgépek sok, különféle szempont szerint csoportosthatók:
- a hőfelszabadítás forrása szerint (benzinmotorban az üzemanyag égése; atomerőműben magreakció)
- a hőfelszabadítás helye szerint (benzinmotorban a hőerőgép belsejében; atomerőműben a hőerőgép gőzturbinán kívül)
- ciklikusság szerint (a benzinmotor ciklikus; a rakéta nem)
- a körfolyamatot végző anyagi közeg szerint (a benzinmotorban a beszívott levegő és a benzingő, illetve annak égésterméke; atomerőművi gőzturbinában víz illetve annak gőze; Stirling-motorban levegő)
Hőerőgép példák:
- belsőégésű, dugattyús robbanómotorok (benzin- és dízel üzemanyagúak egyaránt; szárazföldi és vízi járművekben, aggregátorokban, benzines fűkaszában, lánfűrészben)
- gőzturbinák (mindenféle hőerőművekben: széntüzelésű, gáztüzelésű, szemétégető, biomassza, atomerőmű, naphőerőmű)
- gázturbinák (repülőgépekben, tankokban)
- gőzgépek (régi gőzmozdonyokban, gőzhajókban)
- gőzkatapultok (vidámparkokban, repülőgéphordozókon)
- Stirling-motor
- wankel-motor
- lőfegyverek (pisztoly, puska, ágyú; ezek nem ciklikus üzemű hőerőgépek)
- rakéták
A hőerőgép által végzett mechanikai munka a berendezés célja, értelme. Ez lehet egyenes vonalban zajló (például a belsőégésű motorok dugattyúja a munkaütemben kifelé tolódik egy rövid szakaszon), vagy forgó (a gőzturbinán áthaladó gőz a lapátokra forgatónyomatékot fejt ki, ami forgatja a gőzturbinát).
A hőerőgép által leadott hőt hulladékhőnek nevezzük, ez a "hő formájában" felvett energiánsk azon része, melyet a hőerőgép nem tudott mechanikai munkává alaktani. Nem létezik olyan hőerőgép, mely a hő formájában felvett energiát teljesen ($100\%$‑ban) mechanikai munkavégzéssé alakítaná. Ez nemcsak azért nem lehetséges, mert mondjuk a gép mozgó alkatrészein a súrlódás óhatatlanul veszteséget okoz. Hanem amiatt sem, mert termodinamikai okokból a felvett hőnek csak egy meghatározott arányát lehet mechanikai munkavégzéssé alakítani, erről még később lesz szó.
A hőerőgép működéséhez tehát szükséges egy meleg test, mely majd le fog hűlni, miközben a hőerőgép mechanikai munkát végez. Ha a hőerőgép kívülről veszi fel a felhasznált hőt (mint például a hőerőművek gőzturbinái; ellentétben a belsőégésű motorokkal), akkor a hőfelvétel forrását meleg hőtartálynak nevezzük (ez a tüzelőanyagos hőerőművekben a kazán, atomerőművekben a primer és szekunder vízkör találkozásánál lévő gőzfejlesztő hőcserélő). Továbbá szükséges egy hidegebb test is, aminek a hőerőgép leadja a hulladékhőt, ez a hideg hőtartály, más néven hűtő. Úgy is fogalmazhatunk, hogy a hőerőgép működésének feltétele egy már meglévő hőmérsékleti inhomogenitás. A hőerőgép működése során a meleg hőtartályt a hőerőgép hőfelvétele hűti. A hideg hőtartályt pedig melegíti azzal, hogy a hőerőgép átadja neki a hulladékhőt. Ha magára hagynánk a hőerőgépet, akkor a meleg hőtartály egyre hűlne, a hideg hőtartály pedig egyre melegedne, vagyis a kezdetben fennállt hőmérsékleti inhomogenitás egyre csökkenne, ezért a hőerőgép egyre kisebb teljesítményű munkavégzésre lenne csak képes. Végül (legkésőbb a hőmérsékletek kiegyenlítődésekor) a hőerőgép teljesen meg is állna. Ezért a hőerőgép folyamatos működéséhez a meleg hőtartályból elszállított hőt folyamatosan pótolni kell, vagyis a meleg hőtartályt fűteni kell. A hideg hőtartályt pedig folyamatosan hűteni kell. Úgy is fogalmazhatunk, hogy folyamatosan fenn kell tartanunk a hőmérsékleti inhomogenitást, hogy a hőerőgép működjön.
A hőerőgép hőfelvétele (a meleg hőtartályból) történhet fizikailag kívülről, például a gőzgépeknél a víz a tűztérből hőt felvéve felforr fel, és nagy nyomású gőzzé alakul; ez a gőz tolja meg a dugattyút, ezzel végezve a mechanikai munkát, ami a hőerőgép célja. De a hőfelvétel történhet a hőerőgép belsejében is (hőfelszabadulás formájában), ahogy a belsőégésű motorokban zajlik: az üzemanyag égése szabadít fel hőt, ami miatt a robbanótérben a hőmérséklet jelentősen megnő, és bezárt gáz lévén ez nyomásnövekedést idéz elő. A nagy nyomású égéstermék kifelé tolja a dugattyút, ezzel mechanikai munkát végezve. 
A hőerőművek mindegyike hőerőgép. A fejlődő hő eredete azonban sokféle lehet:
- magreakció más néven nukleáris folyamat: atomerőművekben
- kémiai reakció, jellemzően égés: szén-, gáz-, fa-, biomassza-, szemétégető erőműben
- napenergia: naphőerőműben
- "földhő": geotermikus erőműben a talaj mélyben található, forró kőzetei forralják fel a vizet
Létezik olyan geotermikus erőmű is, amikor a föld mélyéből nemcsak meleg víz, hanem forró gőz tör fel (tehát a gőz a kiindulópont), de a legtöbb hőerőműben a vizet első lépésben felforralják (vagyis a víz hő formájában energiát vesz fel. Az így keletkező nagy nyomású gőzt aztán egy gőzturbina lapátaira eresztik rá, amit forgásba hoz, vagyis mechaniai munkavégzés formájában leadja a felvett hő egy részét. A gőzturbina után a "fáradt gőz" a felvett energia maradékát hő formájában kell leadja, hiszen a II. főtétel értelmében nem lehetséges a felvett hőt teljes egészben munkává alakítani:
A hőerőművek "ingyenes" hulladékhőjét időnként sikerül hasznosítani, például a környező épületek (akár egy egész városrész) fűtését és melegvíz ellátását ezzel oldják meg, ez a klasszikus távhő (anno sok szénerőműhöz épült távhő hálózat, de mára a szénerőművek nagy része bezárt, viszont a távfűtő rendszert fenntartották, és gáztüzeléssel üzemeltetik, ami finoman szólva lényegvesztés).
A nagyteljesítményű hőerőműveknél a hideg hőtartály folyamatos, intenzív hűtése nehéz feladat. A hőerőművek hűtését sokszor egy nagy vízhozamú folyó természetesen áramló vízével végzik el, például a Paksi Atomerőműben a hulladékhő leadása $10\unicode{x2013} 12\ \mathrm{{}^\circ C}$‑szal melegíti fel a Duna vizét. Ha ilyen folyó nincs a közelben, akkor hatalmas hűtőtornyot kell építeni, hogy a hideg hőtartály hűtését biztosítsák, de ez elég drága beruházás:
Miért is kell a hideg hőtartállyal folymatosan hőt elvonni a hőerőgépből? Amit aztán sokszor nem is tudunk hasznosítani! Ezt a gőzturbina esetén lehet a legszeméletesebben látni. A meleg hőtartály felforralja a vizet, abból lesz nagy nyomású vízgőz. Ezt ráengedjük a gőzturbina lapátjaira, amitől az forgásba jön. A gőz a belső energiája csökkenése révén tud mozgási energiát biztosítani a turbina forgórészének. Ezért a turbinán áthaladva lehűl, és csökken a nyomása, ezt hívjuk "fáradt gőz"-nek. De továbbra is még viszonylag nagy a nyomása. Ha ezt a fáradt gőzt lecsapatjuk (az ún. kondenzátorban), azzal a gázmolekulák száma drasztikusan lecsökken, hiszen sokan folyadék állapotba mennek át. Ettől a kondenzátorban a nyomás jelentősen lecsökken. Miért jó ez? Mert a vízgőz lecsapatása következtében a gőzturbina hátsó oldalán sokkal kisebb lesz a nyomás, mint a bemeneti oldalán, ezért a gőzturbinába belépő friss gőz előrehaladását sokkal kevésbé akadályozza a hátsó részben lévő fáradtgőz nyomása.
Összefoglalva a hőerőgép hőmérsékleti inhomogenitást igényel, és miközben az energiát hő formájában a melegebb tartályból a hidegebb felé átviszi, annak egy részét mechanikai munkavégzéssé alakítja át.