Debido a que los motores térmicos pueden pasar por una secuencia compleja de pasos, a menudo se utiliza un modelo simplificado para ilustrar los principios de la termodinámica. En particular, considere un gas que se expande y contrae dentro de un cilindro con un pistón móvil bajo un conjunto prescrito de condiciones. Hay dos conjuntos de condiciones particularmente importantes. Una condición, conocida como expansión isotérmica, implica mantener el gas a una temperatura constante. Dado que el gas actúa contra la fuerza de restricción del pistón, debe absorber calor para conservar energía. De lo contrario, se enfriaría a medida que se expande (o, a la inversa, se calentaría a medida que se comprime). Este es un ejemplo de un proceso en el que el calor absorbido se convierte completamente en trabajo con una eficiencia del 100 por ciento. Sin embargo, el proceso no viola las limitaciones fundamentales de la eficiencia, porque una sola expansión en sí misma no es un proceso cíclico.

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La segunda condición, conocida como expansión adiabática (del griego adiabatos, que significa «intransitable»), es uno en el que se supone que el cilindro está perfectamente aislado para que no pueda fluir calor hacia adentro o hacia afuera del cilindro. En este caso, el gas se enfría a medida que se expande, porque, según la primera ley, el trabajo realizado contra la fuerza de restricción en el pistón solo puede provenir de la energía interna del gas. Por lo tanto, el cambio en la energía interna del gas debe ser ΔU = −W, como se manifiesta por una disminución en su temperatura. El gas se enfría, incluso th Aunque no hay flujo de calor, porque está trabajando a expensas de su propia energía interna. La cantidad exacta de enfriamiento se puede calcular a partir de la capacidad calorífica del gas.

Muchos fenómenos naturales son efectivamente adiabáticos porque no hay tiempo suficiente para que ocurra un flujo de calor significativo. Por ejemplo, cuando el aire caliente se eleva en la atmósfera, se expande y se enfría a medida que la presión desciende con la altitud, pero el aire es un buen aislante térmico, por lo que no hay un flujo de calor significativo del aire circundante. En este caso, el aire circundante desempeña el papel tanto de las paredes aisladas del cilindro como del pistón móvil. El aire caliente actúa contra la presión proporcionada por el aire circundante a medida que se expande, por lo que su temperatura debe descender. Un análisis más detallado de esta expansión adiabática explica la mayor parte de la disminución de la temperatura con la altitud, lo que explica el hecho familiar de que hace más frío en la cima de una montaña que en su base.