Isotermiske og adiabatiske prosesser
Fordi varmemotorer kan gå gjennom en kompleks trinnsekvens, brukes ofte en forenklet modell for å illustrere prinsippene for termodynamikk. Spesielt vurdere en gass som utvides og trekker seg sammen i en sylinder med et bevegelig stempel under et foreskrevet sett med betingelser. Det er to spesielt viktige sett med forhold. En tilstand, kjent som en isoterm ekspansjon, innebærer å holde gassen på konstant temperatur. Siden gassen virker mot stempelets begrensningskraft, må den absorbere varme for å spare energi. Ellers vil det avkjøles når det utvides (eller omvendt varme når det komprimeres). Dette er et eksempel på en prosess der den absorberte varmen omdannes helt til arbeid med 100 prosent effektivitet. Prosessen bryter imidlertid ikke grunnleggende begrensninger på effektivitet, fordi en enkelt utvidelse i seg selv ikke er en syklisk prosess.
Den andre tilstanden, kjent som en adiabatisk utvidelse (fra gresk adiabatos, som betyr «ufremkommelig»), er en der sylinderen antas å være perfekt isolert slik at ingen varme kan strømme inn i eller ut av sylinderen. I dette tilfellet avkjøles gassen når den utvides, fordi den første loven utfører arbeidet mot den tilbakeholdende kraften på stempelet kan bare komme fra gassens indre energi. Dermed må endringen i gassens indre energi være ΔU = −W, som manifestert av en reduksjon i temperaturen. Gassen avkjøles, til og med burde det ikke være noen varmestrøm, fordi den utfører arbeid på bekostning av sin egen indre energi. Den nøyaktige mengden kjøling kan beregnes ut fra gassens varmekapasitet.
Mange naturlige fenomener er effektivt adiabatiske fordi det er ikke tilstrekkelig tid til at betydelig varmestrøm skal skje. For eksempel når varm luft stiger i atmosfæren, utvider den seg og avkjøles når trykket synker med høyde, men luft er en god varmeisolator, og det er derfor ingen signifikant varmestrøm fra omgivende luft. I dette tilfellet spiller luften rundt rollene til både de isolerte sylinderveggene og det bevegelige stempelet. Den varme luften virker mot trykket fra den omgivende luften når den utvides, og temperaturen må derfor synke. En mer detaljert analyse av denne adiabatiske utvidelsen forklarer det meste av temperaturfallet med høyde, og tegner seg for det kjente faktum at det er kaldere på toppen av et fjell enn ved basen.