Un moteur thermique est un moteur qui transforme l'énergie libérée par la combustion d'un carburant en énergie mécanique. La chaleur produite par cette combustion est utilisée pour mettre un gaz sous pression, qui exerce ensuite une force sur un piston ou sur une turbine. Les moteurs thermiques sont utilisés depuis plus de deux siècles pour faire fonctionner les véhicules, les navires, les avions, les groupes électrogènes et de nombreuses machines industrielles.

Pour fonctionner, un moteur thermique a besoin de trois éléments : un carburant, un comburant et une source d'allumage. Le carburant fournit l'énergie chimique. Le comburant est généralement l'oxygène contenu dans l'air. Selon le type de moteur, l'allumage est provoqué soit par une bougie, soit par une forte compression qui élève suffisamment la température pour enflammer le carburant.

La combustion produit des gaz très chauds qui se dilatent rapidement. Cette augmentation de pression pousse un piston dans un cylindre ou fait tourner une turbine. Grâce à un mécanisme comme le système bielle-manivelle, le mouvement rectiligne du piston est transformé en rotation du vilebrequin, qui peut ensuite entraîner les roues d'un véhicule ou une autre machine.

Il existe plusieurs familles de moteurs thermiques. Les plus connus sont les moteurs à essence et les moteurs diesel, qui équipent de nombreuses voitures, camions et engins agricoles. Les moteurs à turbine sont utilisés dans les avions à réaction et certaines centrales électriques. Les anciens moteurs à vapeur appartiennent également à la grande famille des moteurs thermiques, même si leur fonctionnement est différent.

Tous les moteurs thermiques fonctionnent selon un cycle, c'est-à-dire une succession d'étapes qui se répètent continuellement. Dans un moteur à quatre temps, le piston réalise successivement l'admission du mélange, sa compression, la combustion qui fournit l'énergie, puis l'échappement des gaz brûlés. Ce cycle se répète plusieurs dizaines de fois par seconde lorsque le moteur tourne.

Comme toute machine, un moteur thermique ne transforme pas toute l'énergie du carburant en mouvement. Une partie importante est perdue sous forme de chaleur, de bruit ou de frottements. C'est pourquoi ces moteurs possèdent un système de refroidissement, un circuit de lubrification et un échappement destinés à assurer leur bon fonctionnement et leur longévité.

Les moteurs thermiques rejettent également des gaz d'échappement contenant notamment du dioxyde de carbone, de la vapeur d'eau et, selon les conditions de combustion, d'autres polluants. Les constructeurs développent donc des moteurs plus performants, des systèmes de dépollution et des carburants plus propres afin de limiter leur impact sur l'environnement.

Malgré le développement des moteurs électriques, les moteurs thermiques restent très utilisés grâce à leur forte puissance, leur autonomie importante et leur capacité à fonctionner dans des conditions très variées. Ils demeurent indispensables dans de nombreux domaines, notamment les transports, les travaux publics, l'agriculture et certaines applications industrielles.