izotermikus és adiabatikus folyamatok
Mivel a hőmotorok összetett lépéssorozaton mennek keresztül, a termodinamika alapelveinek bemutatására gyakran egyszerűsített modellt használnak. Figyeljünk különösen egy olyan gázra, amely az előírt feltételek mellett kitágul és összehúzódik egy hengerben egy mozgatható dugattyúval. Két különösen fontos feltételrendszer létezik. Az egyik izotermikus expanziónak nevezett feltétel magában foglalja a gáz állandó hőmérsékleten tartását. Mivel a gáz a dugattyú visszatartó erejével szemben működik, az energia megtakarítása érdekében hőt kell magába szívnia. Ellenkező esetben hűlne, amikor kitágul (vagy fordítva felmelegszik, amikor összenyomódik). Ez egy példa arra a folyamatra, amelyben az elnyelt hőt teljes egészében 100% -os hatékonysággal munkává alakítják. A folyamat azonban nem sérti a hatékonyság alapvető korlátait, mert az egyetlen bővítés önmagában nem ciklikus folyamat.
A második feltétel, amelyet adiabatikus expanziónak neveznek (a görög adiabatosból, azaz “járhatatlan”): olyan, amelyben a henger feltételezetten tökéletesen szigetelt, így hő nem áramolhat be vagy ki a palackból. Ebben az esetben a gáz tágulás közben hűl, mert az első törvény szerint az a munka, amely a A dugattyú csak a gáz belső energiájából származhat. Így a gáz belső energiájának változásának ΔU = −W-nek kell lennie, aminek a hőmérsékletének csökkenése nyilvánul meg. A gáz még h nincs hőáram, mert a saját belső energiájának rovására dolgozik. A hűtés pontos mennyiségét a gáz hőkapacitása alapján lehet kiszámítani.
Számos természeti jelenség hatékonyan adiabatikus, mivel nincs elegendő idő a jelentős hőáramlás kialakulására. Például, amikor a meleg levegő emelkedik a légkörben, akkor tágul és hűl, amikor a nyomás a magassággal csökken, de a levegő jó hőszigetelő, így a környező levegőből nincs jelentős hőáram. Ebben az esetben a környező levegő mind a szigetelt hengerfalak, mind a mozgatható dugattyú szerepét játszik. A meleg levegő a terjeszkedés közben a környező levegő nyomása ellen hat, ezért a hőmérsékletének le kell esnie. Ennek az adiabatikus tágulásnak a részletesebb elemzése magyarázza a hőmérséklet és a magasság közötti csökkenés nagy részét, figyelembe véve azt a tényt, hogy a hegy tetején hidegebb, mint a tövében.