Protože tepelné motory mohou projít složitým sledem kroků, k ilustraci principů termodynamiky se často používá zjednodušený model. Zvažte zejména plyn, který se roztahuje a smršťuje ve válci s pohyblivým pístem za předepsaných podmínek. Existují dva zvláště důležité soubory podmínek. Jedna podmínka, známá jako izotermická expanze, zahrnuje udržování plynu na konstantní teplotě. Protože plyn pracuje proti omezovací síle pístu, musí absorbovat teplo, aby šetřil energii. Jinak by se při expanzi ochladilo (nebo naopak při kompresi zahřívalo). Toto je příklad procesu, při kterém se absorbované teplo zcela přemění na práci se stoprocentní účinností. Proces však neporušuje základní omezení účinnosti, protože jediná expanze sama o sobě není cyklickým procesem.

Přečtěte si více o tomto tématu

filozofie fyziky: Termodynamika

Stručný, silný a obecný popis časové asymetrie běžných fyzikálních procesů byl v kurzu se postupně skládají dohromady …

Druhou podmínkou, známou jako adiabatická expanze (z řeckého adiabatos, což znamená „neprůchodná“), je ten, ve kterém se předpokládá, že je tlaková láhev dokonale izolovaná, takže do ní nemůže nebo nemůže z ní proudit žádné teplo. V tomto případě se plyn ochlazuje při jeho expanzi, protože podle prvního zákona je práce vykonaná proti omezující síle na píst může pocházet pouze z vnitřní energie plynu. Změna vnitřní energie plynu tedy musí být ΔU = −W, což se projevuje poklesem jeho teploty. Plyn se ochlazuje, i když ough není tam žádný tok tepla, protože to dělá práci na úkor své vlastní vnitřní energie. Přesné množství ochlazení lze vypočítat z tepelné kapacity plynu.

Mnoho přírodních jevů je účinně adiabatických, protože není dostatek času na to, aby došlo k významnému toku tepla. Například, když v atmosféře stoupá teplý vzduch, expanduje a ochlazuje se s poklesem tlaku s nadmořskou výškou, ale vzduch je dobrým tepelným izolátorem, takže nedochází k významnému toku tepla z okolního vzduchu. V tomto případě hraje okolní vzduch roli jak izolačních stěn válce, tak pohyblivého pístu. Teplý vzduch při expanzi funguje proti tlaku vytvářenému okolním vzduchem, a proto musí jeho teplota klesat. Podrobnější analýza této adiabatické expanze vysvětluje většinu poklesu teploty s nadmořskou výškou, což odpovídá známé skutečnosti, že na vrcholu hory je chladněji než na její základně.