Omdat warmtemotoren een complexe opeenvolging van stappen kunnen doorlopen, wordt vaak een vereenvoudigd model gebruikt om de principes van thermodynamica te illustreren. Denk in het bijzonder aan een gas dat uitzet en samentrekt in een cilinder met een beweegbare zuiger onder een voorgeschreven reeks voorwaarden. Er zijn twee bijzonder belangrijke voorwaarden. Een voorwaarde, bekend als isotherme expansie, houdt in dat het gas op een constante temperatuur wordt gehouden. Omdat het gas de remkracht van de zuiger tegenwerkt, moet het warmte absorberen om energie te besparen. Anders zou het afkoelen als het uitzet (of omgekeerd verhitten als het wordt gecomprimeerd). Dit is een voorbeeld van een proces waarbij de opgenomen warmte volledig wordt omgezet in werk met 100 procent efficiëntie. Het proces schendt echter geen fundamentele beperkingen op de efficiëntie, omdat een enkele uitbreiding op zichzelf geen cyclisch proces is.

Lees meer over dit onderwerp

filosofie van de fysica: thermodynamica

Een beknopt, krachtig en algemeen verslag van de tijdsasymmetrie van gewone fysische processen was geleidelijk samengevoegd in de cursus …

De tweede voorwaarde, bekend als een adiabatische expansie (van het Griekse adiabatos, wat ‘onbegaanbaar’ betekent), is een waarin de cilinder geacht wordt perfect geïsoleerd te zijn, zodat er geen warmte in of uit de cilinder kan stromen. In dit geval koelt het gas af naarmate het uitzet, omdat, volgens de eerste wet, het werk tegen de beperkende kracht op de zuiger kan alleen afkomstig zijn van de interne energie van het gas. De verandering in de interne energie van het gas moet dus ΔU = −W zijn, zoals blijkt uit een daling van de temperatuur. Het gas koelt af, zelfs hoewel er geen warmtestroom is, omdat het werk doet ten koste van zijn eigen interne energie. De exacte hoeveelheid koeling kan worden berekend uit de warmtecapaciteit van het gas.

Veel natuurverschijnselen zijn effectief adiabatisch omdat er onvoldoende tijd is om een significante warmtestroom te laten plaatsvinden. Wanneer warme lucht bijvoorbeeld in de atmosfeer stijgt, zet het uit en koelt het af naarmate de druk met de hoogte daalt, maar lucht is een goede thermische isolator en er is dus geen significante warmtestroom uit de omringende lucht. In dit geval speelt de omgevingslucht de rol van zowel de geïsoleerde cilinderwanden als de beweegbare zuiger. De warme lucht werkt tegen de druk van de omringende lucht in terwijl deze uitzet, en dus moet de temperatuur dalen. Een meer gedetailleerde analyse van deze adiabatische expansie verklaart het grootste deel van de temperatuurdaling met de hoogte, en verklaart het bekende feit dat het op de top van een berg kouder is dan aan de voet ervan.