Isotermiske og adiabatiske processer
Fordi varmemotorer kan gennemgå en kompleks rækkefølge af trin, bruges en forenklet model ofte til at illustrere principperne for termodynamik. Overvej især en gas, der udvides og trækker sig sammen inden i en cylinder med et bevægeligt stempel under et foreskrevet sæt betingelser. Der er to særligt vigtige sæt betingelser. En tilstand, kendt som en isoterm ekspansion, involverer at holde gassen ved en konstant temperatur. Da gassen virker mod stemplets tilbageholdende kraft, skal den absorbere varme for at spare energi. Ellers vil det køle af, når det udvides (eller omvendt varme, når det komprimeres). Dette er et eksempel på en proces, hvor den absorberede varme omdannes helt til arbejde med 100 procent effektivitet. Processen overtræder dog ikke grundlæggende begrænsninger for effektivitet, fordi en enkelt udvidelse i sig selv ikke er en cyklisk proces.
Den anden betingelse, kendt som en adiabatisk ekspansion (fra det græske adiabatos, der betyder “ufremkommelig”), er en, hvor cylinderen antages at være perfekt isoleret, så ingen varme kan strømme ind i eller ud af cylinderen. I dette tilfælde køler gassen, når den udvider sig, fordi det i henhold til den første lov udføres arbejde mod den tilbageholdende kraft på stempelet kan kun komme fra gassens indre energi. Derfor skal ændringen i gassens indre energi være ΔU = −W, som manifesteret ved et fald i dens temperatur. Gassen køler af, selv burde der ikke være nogen varmestrøm, fordi den udfører arbejde på bekostning af sin egen interne energi. Den nøjagtige mængde afkøling kan beregnes ud fra gassens varmekapacitet.
Mange naturlige fænomener er effektivt adiabatiske, fordi der ikke er tilstrækkelig tid til at der opstår betydelig varmestrøm. For eksempel når varm luft stiger i atmosfæren, udvides den og køler ned, når trykket falder med højden, men luft er en god varmeisolator, og der er således ingen signifikant varmestrøm fra den omgivende luft. I dette tilfælde spiller den omgivende luft rollerne for både de isolerede cylindervægge og det bevægelige stempel. Den varme luft virker mod det tryk, som den omgivende luft tilvejebringer, når den ekspanderer, og temperaturen skal derfor falde. En mere detaljeret analyse af denne adiabatiske udvidelse forklarer det meste af temperaturfaldet med højden og tegner sig for det velkendte faktum, at det er koldere på toppen af et bjerg end ved dets base.