등온 및 단열 프로세스
열 엔진은 복잡한 일련의 단계를 거칠 수 있으므로 열역학의 원리를 설명하기 위해 단순화 된 모델이 자주 사용됩니다. 특히, 소정의 조건에서 가동 피스톤이있는 실린더 내에서 팽창 및 수축하는 가스를 고려하십시오. 특히 중요한 두 가지 조건이 있습니다. 등온 팽창으로 알려진 한 가지 조건은 가스를 일정한 온도로 유지하는 것입니다. 가스는 피스톤의 억제력에 반하여 작용하므로 에너지를 보존하기 위해 열을 흡수해야합니다. 그렇지 않으면 팽창 할 때 냉각됩니다 (또는 압축 될 때 반대로 가열 됨). 이것은 흡수 된 열이 100 % 효율로 완전히 작업으로 변환되는 프로세스의 예입니다. 그러나 단일 확장 자체는 순환 프로세스가 아니기 때문에이 프로세스는 효율성에 대한 근본적인 제한을 위반하지 않습니다.
단열 확장 ( “통과 불가능”을 의미하는 그리스어 adiabatos에서 유래)으로 알려진 두 번째 조건은 다음과 같습니다. 실린더가 완전히 단열되어 실린더 안팎으로 열이 흐르지 않도록하는 것으로 가정합니다.이 경우 가스가 팽창함에 따라 냉각됩니다. 왜냐하면 첫 번째 법칙에 따라 피스톤은 가스의 내부 에너지에서만 나올 수 있으므로 가스 내부 에너지의 변화는 온도가 낮아짐에 따라 ΔU = -W 여야합니다. 열 흐름은 없지만 자체 내부 에너지를 희생하여 작업을 수행하기 때문입니다. 정확한 냉각 량은 가스의 열용량에서 계산할 수 있습니다.
많은 자연 현상은 상당한 열 흐름이 발생할 시간이 충분하지 않기 때문에 효과적으로 단열됩니다. 예를 들어, 따뜻한 공기가 대기 중에 상승하면 고도에 따라 압력이 떨어지면서 팽창하고 냉각되지만 공기는 좋은 단열재이므로 주변 공기로부터의 열 흐름이 크지 않습니다. 이 경우 주변 공기는 절연 된 실린더 벽과 이동식 피스톤의 역할을합니다. 따뜻한 공기는 팽창 할 때 주변 공기가 제공하는 압력에 대항하여 작용하므로 온도가 낮아져 야합니다. 이 단열 팽창에 대한 더 자세한 분석은 고도에 따른 온도 감소의 대부분을 설명하며, 산 정상이 기저부보다 춥다는 친숙한 사실을 설명합니다.