Isotherme und adiabatische Prozesse
Da Wärmekraftmaschinen eine komplexe Abfolge von Schritten durchlaufen können, wird häufig ein vereinfachtes Modell verwendet, um die Prinzipien der Thermodynamik zu veranschaulichen. Betrachten Sie insbesondere ein Gas, das sich innerhalb eines Zylinders mit einem beweglichen Kolben unter vorgeschriebenen Bedingungen ausdehnt und zusammenzieht. Es gibt zwei besonders wichtige Bedingungen. Eine Bedingung, die als isotherme Expansion bekannt ist, besteht darin, das Gas auf einer konstanten Temperatur zu halten. Da das Gas gegen die Rückhaltekraft des Kolbens wirkt, muss es Wärme aufnehmen, um Energie zu sparen. Andernfalls würde es abkühlen, wenn es sich ausdehnt (oder umgekehrt, wenn es komprimiert wird). Dies ist ein Beispiel für einen Prozess, bei dem die absorbierte Wärme vollständig in Arbeit mit einem Wirkungsgrad von 100 Prozent umgewandelt wird. Der Prozess verstößt jedoch nicht gegen grundlegende Einschränkungen der Effizienz, da eine einzelne Erweiterung für sich genommen kein zyklischer Prozess ist.
Die zweite Bedingung, bekannt als adiabatische Erweiterung (aus dem Griechischen adiabatos, was „unpassierbar“ bedeutet), ist eine, bei der angenommen wird, dass der Zylinder perfekt isoliert ist, so dass keine Wärme in den Zylinder hinein oder aus ihm heraus fließen kann. In diesem Fall kühlt sich das Gas ab, wenn es sich ausdehnt, weil nach dem ersten Gesetz die Arbeit gegen die Rückhaltekraft auf den Zylinder erfolgt Der Kolben kann nur aus der inneren Energie des Gases stammen. Daher muss die Änderung der inneren Energie des Gases ΔU = −W betragen, was sich in einer Abnahme seiner Temperatur äußert. Das Gas kühlt ab, auch wenn Es gibt jedoch keinen Wärmefluss, da es auf Kosten seiner eigenen inneren Energie arbeitet. Die genaue Menge an Kühlung kann aus der Wärmekapazität des Gases berechnet werden.
Viele natürliche Phänomene sind effektiv adiabatisch, da nicht genügend Zeit für das Auftreten eines signifikanten Wärmeflusses vorhanden ist. Wenn beispielsweise warme Luft in die Atmosphäre aufsteigt, dehnt sie sich aus und kühlt sich ab, wenn der Druck mit der Höhe abnimmt. Luft ist jedoch ein guter Wärmeisolator, und daher gibt es keinen signifikanten Wärmestrom aus der Umgebungsluft. In diesem Fall spielt die Umgebungsluft die Rolle sowohl der isolierten Zylinderwände als auch des beweglichen Kolbens. Die warme Luft wirkt dem Druck der Umgebungsluft entgegen, wenn sie sich ausdehnt, und daher muss ihre Temperatur sinken. Eine detailliertere Analyse dieser adiabatischen Ausdehnung erklärt den größten Teil des Temperaturabfalls mit der Höhe und erklärt die bekannte Tatsache, dass es auf einem Berggipfel kälter ist als an seiner Basis.