Toplòtni stròj je termodinamski sistem, ki lahko preide zaporedje sprememb tako, da se vrne v svoje začetno stanje. To zaporedje sprememb imenujemo krožna sprememba. Med spremembami lahko toplotni stroj izmenjuje toploto s toplotnimi rezervoarji, telesi z veliko toplotno kapaciteto in stalno temperaturo, ki lahko oddajo ali sprejmejo poljubno količino toplote. V krožni spremembi lahko toplotni stroj:
Po prvem zakonu termodinamike mora biti vsota prejetega dela in prejete toplote enaka vsoti oddanega dela in oddane toplote.
Stroji, ki pri prenosu toplote iz toplejšega v hladnejši toplotni rezervoar oddajajo delo, so toplotni stroji v ožjem pomenu besede, stroji, ki prejemajo delo in prenašajo toploto iz hladnejšega v toplejši toplotni rezervoar, pa so hladilni stroji.