Como os motores de calor podem passar por uma sequência complexa de etapas, um modelo simplificado é frequentemente usado para ilustrar os princípios da termodinâmica. Em particular, considere um gás que se expande e contrai dentro de um cilindro com um pistão móvel sob um conjunto de condições prescritas. Existem dois conjuntos de condições particularmente importantes. Uma condição, conhecida como expansão isotérmica, envolve manter o gás a uma temperatura constante. Como o gás atua contra a força de restrição do pistão, ele deve absorver calor para conservar energia. Caso contrário, ele esfriará conforme se expande (ou, inversamente, aquecerá quando for comprimido). Este é um exemplo de processo em que o calor absorvido é totalmente convertido em trabalho com 100% de eficiência. O processo não viola as limitações fundamentais de eficiência, no entanto, porque uma única expansão por si só não é um processo cíclico.

Leia mais sobre este tópico

filosofia da física: Termodinâmica

Um relato conciso, poderoso e geral da assimetria temporal dos processos físicos comuns foi gradualmente montados no curso …

A segunda condição, conhecida como expansão adiabática (do grego adiabatos, que significa “intransitável”), é aquele em que o cilindro é considerado perfeitamente isolado para que nenhum calor possa fluir para dentro ou para fora do cilindro. Neste caso, o gás resfria à medida que se expande, porque, pela primeira lei, o trabalho feito contra a força de restrição no pistão só pode vir da energia interna do gás. Assim, a variação na energia interna do gás deve ser ΔU = −W, que se manifesta por uma diminuição na sua temperatura. O gás esfria, mesmo que ough não há fluxo de calor, porque ele está trabalhando às custas de sua própria energia interna. A quantidade exata de resfriamento pode ser calculada a partir da capacidade de calor do gás.

Muitos fenômenos naturais são efetivamente adiabáticos porque não há tempo suficiente para que ocorra um fluxo de calor significativo. Por exemplo, quando o ar quente sobe na atmosfera, ele se expande e esfria conforme a pressão cai com a altitude, mas o ar é um bom isolante térmico e, portanto, não há fluxo de calor significativo do ar circundante. Neste caso, o ar circundante desempenha o papel das paredes isoladas do cilindro e do pistão móvel. O ar quente funciona contra a pressão fornecida pelo ar circundante à medida que se expande e, portanto, sua temperatura deve cair. Uma análise mais detalhada dessa expansão adiabática explica a maior parte da diminuição da temperatura com a altitude, explicando o fato conhecido de que é mais frio no topo de uma montanha do que em sua base.