Mekaanisen työn muuntuminen lämmöksi on tavallinen ilmiö paitsi luonnossa myös laitteiden toiminnassa. Laitteet lämpenevät, kun niitä käytetään. Lämpövoimakone on laite, joka muuntaa energiaa päinvastaiseen suuntaan. Lämpövoimakoneessa lämmöstä tuotetaan mekaanista energiaa.

Useimmissa lämpövoimakoneissa hyödynnetään laajenevan kaasun tekemää työtä. Kaasua lämmitetään, se laajenee ja tekee työtä. Samalla kaasun sisäenergia muuntuu mekaaniseksi energiaksi, joka toteutuksesta riippuen työntää mäntää tai pyörittää turbiinia. Laajetessaan jäähtynyt kaasu ohjataan uudelleen lämmitettäväksi. Kaasun tilanmuutokset mahdollistavat kiertoprosessin, jossa kaasun sisäenergiaa muuntuu mekaaniseksi energiaksi niin kauan kuin kaasun lämmitystä jatketaan.

Ihminen on jo pitkään kyennyt vapauttamaan aineisiin sitoutunutta kemiallista energiaa polttamalla polttoaineita, mutta kemiallista energiaa opittiin muuntamaan mekaaniseksi työksi merkittävissä määrin vasta 1700-luvulla. Tällöin kehitettiin ensimmäiset höyrykoneet, jotka toimivat voimanlähteinä teollisuudessa ja hieman myöhemmin höyryvetureissa. Höyrykoneessa kuumennetaan polttoaineen avulla vettä, joka höyrystyessään nostaa systeemin painetta. Paineen kasvaessa höyry pyrkii laajenemaan. Laajeneva kaasu tekee työtä ympäristöön, mikä saa männän liikkeelle. Alla oleva animaatio esittää höyrykonetta, jossa höyry liikuttaa mäntää. Luistin avulla höyry ohjataan vuorotellen männän eri puolille, jolloin saadaan aikaan jatkuva edestakainen liike.

​
Lähde: Wikimedia

Lämpövoimakoneeksi nimitetään mitä tahansa laitetta, joka muuntaa kuuman aineen sisäenergiaa mekaaniseksi energiaksi. Nykyaikaisessa lämpövoimalaitoksessa poltetaan polttokattilassa polttoainetta, joka höyrystää vettä. Sisäenergiaa sitoutuu kuumaan höyryyn, joka siirtyy koneessa kohti turbiinia pyörittäen sitä. Pyörimisliike on mekaanista energiaa, joka muuntuu generaattorissa sähköksi. Jäljelle jäänyt höyry jäähtyy lauhduttimessa takaisin lämmitettäväksi. Alla on kaavakuva lämpövoimalaitoksesta sekä energiakaavio lämpövoimakoneesta.

Energiakaavio esittää lämpövoimakoneen toimintaa yleisellä tasolla. Lämpövoimalaitoksessa polttokattila on koneen lämpösäiliö ja lauhdutin kylmäsäiliö. Energia säilyy siten, että lämpösäiliöstä otettu lämpö [[$Q_1$]] on yhtä suuri kuin kylmäsäiliöön siirtyvä lämpö [[$Q_2$]] ja koneesta saatu mekaaninen työ [[$W$]].

[[$\qquad Q_1=Q_2+W$]]

Lämpövoimakoneen avulla halutaan tuottaa mahdollisimman paljon mekaanista työtä käytettävissä olevasta energiasta. Pyritään siis korkeaan hyötysuhteeseen. Lämpövoimakoneen hyötysuhde on mekaanisen työn osuus kaikesta lämpösäiliöstä otetusta energiasta.

[[$\qquad \eta= \dfrac{W}{Q_1}$]]

Todellista hyötysuhdetta määritettäessä on vielä tutkittava, kuinka paljon työstä saadaan muunnettua käyttötarkoituksen mukaiseen muotoon. Kaikkea työtä ei saada hyödynnettyä, koska osa mekaanisesta energiasta siirtyy ympäristöön lämpönä laitteen toimiessa.

Vaikka nykyaikaiset lämpövoimakoneet ovat muuttuneet 1700-luvun koneisiin verrattuna tehokkaammiksi ja hyötysuhteeltaan paremmiksi, termodynamiikan lait määräävät hyötysuhteelle teoreettisen ylärajan. Tavanomaisessa hiilivoimalassa tämä raja on suuruusluokaltaan 0,6 eli 60 %. Hyötysuhteen nostamiseksi lämpö- ja kylmäsäiliöiden välisen lämpötilaeron pitää olla mahdollisimman suuri ja kylmäsäiliön lämpötilan mahdollisimman pieni. 100 %:n hyötysuhde vaatisi kylmäsäiliön lämpötilaksi nolla kelviniä. Tämä tarkoittaa absoluuttista nollapistettä ja on mahdotonta. Tällainen kone olisi eräänlainen ikiliikkuja, joka muuttaisi kaiken säiliöstä ottamansa lämmön työksi. Tällä työllä voitaisiin jälleen lämmittää lämpösäiliötä, ja kone toimisi itsestään ikuisesti.