Теплоэнерге́тика — отрасль теплотехники, занимающаяся преобразованием теплоты в иные виды энергии, главным образом в механическую и электрическую. Механическая энергия генерируется в теплосиловых установках и используется для привода рабочих машин или электромеханических генераторов, с помощью которых вырабатывается электроэнергия. Установки, в которых преобразование теплоты в электроэнергию осуществляется без электромеханических генераторов, называются установками прямого преобразования энергии. К ним относят магнитогидродинамические генераторы, термоэлектрические генераторы, термоэмиссионные преобразователи энергии.
Преобразование теплоты в механическую энергию в теплосиловых установках основано на способности газообразного или парообразного тела совершать механическую работу при изменении его объема. При этом рабочее тело (газ или пар) должно совершить замкнутую последовательность термодинамических процессов (цикл). В результате такого цикла от одного или нескольких источников теплоты отбирается определенное количество теплоты Q1 и одному или нескольким источникам теплоты отдается количество теплоты Q2, меньшее, чем Q1; при этом разность Q1 - Q2 превращается в механическую работу Атеор. Отношение полученной работы к затраченной теплоте называется термическим кпд этого цикла.
В простейшем случае цикл может быть осуществлен при одном источнике теплоты с температурой T1, отдающем теплоту рабочему телу, и одном источнике теплоты с температурой T2, воспринимающем теплоту от рабочего тела. При этом в температурном интервале T1 - T2 наивысший кпд среди всех возможных циклов имеет цикл Карно. Кпд, равный 1, то есть полное превращение теплоты Q1 в работу, возможен при T1 равном бесконечности, или при T2 равном нулю. Для земных условий температура Т2 для теплоэнергетических установок должна в лучшем случае приниматься равной температуре Т0 окружающей среды (воздуха или водоемов). Получить источник теплоты с температурой Т2 большей Т0 можно лишь с помощью холодильной машины, которая для своего действия требует затраты работы. Невозможность полного превращения теплоты в работу при условии, что все тела, участвующие в этих превращениях, будут возвращены в исходные состояния, устанавливается вторым началом термодинамики.