isotermiset ja adiabaattiset prosessit
Koska lämpömoottorit voivat käydä läpi monimutkaisen vaihejärjestyksen, termodynamiikan periaatteiden havainnollistamiseen käytetään usein yksinkertaistettua mallia. Harkitse erityisesti kaasua, joka laajenee ja supistuu sylinterin sisällä liikkuvan männän kanssa määrätyissä olosuhteissa. Ehtoja on kaksi erityisen tärkeätä. Yksi ehto, joka tunnetaan isotermisenä laajenemisena, sisältää kaasun pitämisen vakiolämpötilassa. Koska kaasu toimii männän pidätysvoimaa vastaan, sen on absorboitava lämpöä energian säästämiseksi. Muuten se jäähtyisi, kun se laajenee (tai päinvastoin lämmittää, kun se on pakattu). Tämä on esimerkki prosessista, jossa absorboitu lämpö muunnetaan kokonaan työhön 100 prosentin hyötysuhteella. Prosessi ei kuitenkaan riko tehokkuuden perusrajoituksia, koska yksittäinen laajennus itsessään ei ole syklinen prosessi.
Toinen ehto, joka tunnetaan nimellä adiabaattinen laajennus (kreikkalaisesta adiabatos, eli ”läpipääsemätön”), on sellainen, jossa sylinterin oletetaan olevan täysin eristetty, jotta lämpöä ei pääse virtaamaan sylinteriin tai ulos sylinteristä.Tässä tapauksessa kaasu jäähtyy laajentuessaan, koska ensimmäisen lain mukaan työ, joka on tehty mäntä voi tulla vain kaasun sisäisestä energiasta. Siksi kaasun sisäisen energian muutoksen on oltava ΔU = −W, mikä ilmenee sen lämpötilan laskusta. Kaasu jäähtyy, jopa vaikka lämpövirtausta ei ole, koska se tekee työtä oman sisäisen energiansa kustannuksella. Tarkka jäähdytysmäärä voidaan laskea kaasun lämpökapasiteetista.
Monet luonnonilmiöt ovat tehokkaasti adiabaattisia, koska merkittävän lämpövirtauksen aikaansaamiseen ei ole riittävästi aikaa. Esimerkiksi kun lämmin ilma nousee ilmakehään, se laajenee ja jäähtyy, kun paine laskee korkeuden kanssa, mutta ilma on hyvä lämmöneristin, joten ympäröivästä ilmasta ei ole merkittävää lämpövirtaa. Tässä tapauksessa ympäröivä ilma on sekä eristettyjen sylinteriseinien että liikkuvan männän roolissa. Lämmin ilma toimii laajenemisen aikana ympäröivän ilman tuottamaa painetta vastaan, joten sen lämpötilan on laskettava. Yksityiskohtaisempi analyysi tästä adiabaattisesta laajenemisesta selittää suurimman osan lämpötilan laskusta korkeuden kanssa, mikä vastaa tuttua tosiasiaa, että se on kylmempi vuoren huipulla kuin sen pohjalla.