Deoarece motoarele termice pot parcurge o succesiune complexă de pași, un model simplificat este adesea folosit pentru a ilustra principiile termodinamicii. În special, luați în considerare un gaz care se extinde și se contractă într-un cilindru cu un piston mobil într-un set de condiții prescris. Există două seturi de condiții deosebit de importante. O condiție, cunoscută sub numele de dilatare izotermă, implică menținerea gazului la o temperatură constantă. Deoarece gazul acționează împotriva forței de reținere a pistonului, acesta trebuie să absoarbă căldura pentru a economisi energie. În caz contrar, s-ar răci pe măsură ce se extinde (sau invers se încălzește pe măsură ce este comprimat). Acesta este un exemplu de proces în care căldura absorbită este transformată în întregime în lucru cu o eficiență de 100%. Cu toate acestea, procesul nu încalcă limitele fundamentale ale eficienței, deoarece o singură expansiune nu este un proces ciclic.

Citiți mai multe despre acest subiect

filosofia fizicii: termodinamică

O descriere concisă, puternică și generală a asimetriei în timp a proceselor fizice obișnuite a fost împărțit treptat în curs …

A doua condiție, cunoscută sub numele de expansiune adiabatică (din grecescul adiabatos, care înseamnă „impracticabil”), este una în care se presupune că cilindrul este perfect izolat, astfel încât să nu poată curge căldură în sau în afara cilindrului. În acest caz, gazul se răcește pe măsură ce se extinde, deoarece, prin prima lege, lucrul făcut împotriva forței de reținere pistonul poate proveni numai din energia internă a gazului. Astfel, schimbarea energiei interne a gazului trebuie să fie ΔU = −W, așa cum se manifestă printr-o scădere a temperaturii sale. Gazul se răcește, chiar și ar trebui să nu existe flux de căldură, pentru că lucrează în detrimentul propriei energii interne. Cantitatea exactă de răcire poate fi calculată din capacitatea de căldură a gazului.

Multe fenomene naturale sunt efectiv adiabatice, deoarece nu există timp suficient pentru a avea loc un flux de căldură semnificativ. De exemplu, atunci când aerul cald crește în atmosferă, acesta se extinde și se răcește pe măsură ce presiunea scade odată cu altitudinea, dar aerul este un bun izolator termic și, prin urmare, nu există un flux semnificativ de căldură din aerul înconjurător. În acest caz, aerul înconjurător joacă rolul atât al pereților cilindrilor izolați, cât și al pistonului mobil. Aerul cald funcționează împotriva presiunii oferite de aerul înconjurător pe măsură ce se extinde și, prin urmare, temperatura acestuia trebuie să scadă. O analiză mai detaliată a acestei expansiuni adiabatice explică cea mai mare parte a scăderii temperaturii odată cu altitudinea, explicând faptul că este mai frig în vârful unui munte decât la baza sa.