Каков принцип действия теплового двигателя?

Для любого теплового двигателя ключевой элемент - рабочее тело, способное расширяться при нагревании. Нагревание происходит за счёт внешней энергии, обычно это сгорание топлива, но в экзотических случаях, типа ядерного источника энергии, это может быть и что-то другое (электрический нагрев или непосредственный отъём тепла в активной зоне реактора). Но так или иначе, расширяясь, рабочее тело производит работу против внешних сил, что и является его полезным эффектом. Внешние силы, как правило, - это силы трения, но может быть и непосредственно гравитация, когда от двигателя требуется поднимать некоторый груз на некоторую высоту, а может быть и собственная инерция тела ("сила инерции", если рассматривать неинерциальную систему отсчёта, связанную с двигателем), как в реактивных двигателях. Которые тоже тепловые.

Если совсем просто, то он преобразует тепловую энергию в механическую. А каким способом, это уже вопрос к конструкции двигателя. В основном, используют энергию расширения нагреваемого газа, где газ давит на разные механические приспособления для отъема у него энергии - поршни, турбины, сопла.