等温および断熱プロセス
熱機関は複雑な一連のステップを経る可能性があるため、熱力学の原理を説明するために簡略化されたモデルがよく使用されます。特に、所定の条件下で可動ピストンを備えたシリンダー内で膨張および収縮するガスについて考えてみます。特に重要な条件は2つあります。等温膨張として知られる1つの条件は、ガスを一定の温度に保つことです。ガスはピストンの拘束力に逆らって作用するため、エネルギーを節約するために熱を吸収する必要があります。そうしないと、膨張するときに冷却されます（または逆に圧縮されるときに加熱されます）。これは、吸収された熱が100％の効率で完全に仕事に変換されるプロセスの例です。ただし、単一の拡張自体は循環プロセスではないため、このプロセスは効率に関する基本的な制限に違反しません。
断熱膨張として知られる2番目の条件（ギリシャの断熱から、「通行不能」を意味します）は次のとおりです。シリンダーが完全に断熱されているため、シリンダーに熱が出入りすることはありません。この場合、ガスは膨張するにつれて冷却されます。これは、第1の法則により、ピストンはガスの内部エネルギーからのみ発生するため、ガスの内部エネルギーの変化は、温度の低下によって示されるように、ΔU= −Wでなければなりません。ガスはさらに冷却されます。それはそれ自身の内部エネルギーを犠牲にして仕事をしているので、熱の流れはありませんが。正確な冷却量は、ガスの熱容量から計算できます。
大量の熱流が発生するのに十分な時間がないため、多くの自然現象は事実上断熱的です。たとえば、大気中の暖かい空気が上昇すると、高度とともに圧力が低下するにつれて膨張して冷却されますが、空気は優れた断熱材であるため、周囲の空気からの大きな熱の流れはありません。この場合、周囲の空気は、断熱されたシリンダー壁と可動ピストンの両方の役割を果たします。暖かい空気は、膨張するときに周囲の空気によって提供される圧力に逆らって作用するため、温度を下げる必要があります。この断熱膨張のより詳細な分析は、標高に伴う気温の低下の大部分を説明し、山の頂上では山の麓よりも寒いというおなじみの事実を説明しています。