Ponieważ silniki cieplne mogą przechodzić przez złożoną sekwencję kroków, do zilustrowania zasad termodynamiki często stosuje się uproszczony model. W szczególności rozważmy gaz, który rozszerza się i kurczy w cylindrze z ruchomym tłokiem w określonych warunkach. Istnieją dwa szczególnie ważne zestawy warunków. Jeden warunek, znany jako rozprężanie izotermiczne, polega na utrzymywaniu gazu w stałej temperaturze. Ponieważ gaz działa wbrew hamującej sile tłoka, musi absorbować ciepło, aby oszczędzać energię. W przeciwnym razie ostygnie, gdy się rozszerzy (lub odwrotnie, ogrzeje się, gdy zostanie ściśnięte). To przykład procesu, w którym pochłonięte ciepło jest w całości przetwarzane na pracę ze 100 procentową wydajnością. Proces ten nie narusza jednak podstawowych ograniczeń wydajności, ponieważ pojedyncze rozwinięcie samo w sobie nie jest procesem cyklicznym.

Przeczytaj więcej na ten temat

filozofia fizyki: termodynamika

Zwięzłe, potężne i ogólne przedstawienie asymetrii czasowej zwykłych procesów fizycznych zostało stopniowo składane razem w trakcie …

Drugi warunek, znany jako ekspansja adiabatyczna (z greckiego adiabatos, co oznacza „nieprzekraczalny”), to taki, w którym zakłada się, że butla jest doskonale izolowana, tak że żadne ciepło nie może wpływać do ani z butli. W tym przypadku gaz ochładza się w miarę rozszerzania się, ponieważ zgodnie z pierwszą zasadą praca wykonywana wbrew ograniczającej sile działającej na tłok może pochodzić tylko z energii wewnętrznej gazu, dlatego zmiana energii wewnętrznej gazu musi wynosić ΔU = −W, co objawia się spadkiem jego temperatury. aczkolwiek nie ma przepływu ciepła, ponieważ wykonuje pracę kosztem własnej energii wewnętrznej. Dokładną ilość chłodu można obliczyć na podstawie pojemności cieplnej gazu.

Wiele zjawisk naturalnych jest w rzeczywistości adiabatycznych, ponieważ nie ma wystarczająco dużo czasu na wystąpienie znacznego przepływu ciepła. Na przykład, gdy ciepłe powietrze unosi się w atmosferze, rozszerza się i ochładza się wraz ze spadkiem ciśnienia wraz ze spadkiem wysokości, ale powietrze jest dobrym izolatorem termicznym, a więc nie ma znaczącego przepływu ciepła z otaczającego powietrza. W tym przypadku otaczające powietrze pełni rolę zarówno izolowanych ścian cylindra, jak i ruchomego tłoka. Ciepłe powietrze przeciwdziała ciśnieniu wytwarzanemu przez otaczające powietrze, gdy się rozszerza, dlatego jego temperatura musi spaść. Bardziej szczegółowa analiza tej ekspansji adiabatycznej wyjaśnia większość spadku temperatury wraz z wysokością, uwzględniając znany fakt, że na szczycie góry jest chłodniej niż u podstawy.