Isotermiska och adiabatiska processer
Eftersom värmemotorer kan gå igenom en komplex sekvens av steg används ofta en förenklad modell för att illustrera termodynamikens principer. Tänk särskilt på en gas som expanderar och dras samman i en cylinder med en rörlig kolv under föreskrivna villkor. Det finns två särskilt viktiga uppsättningar villkor. Ett tillstånd, känt som en isotermisk expansion, innebär att hålla gasen vid en konstant temperatur. Eftersom gasen fungerar mot kolvens begränsande kraft måste den absorbera värme för att spara energi. Annars skulle det svalna när det expanderar (eller omvänt värme när det komprimeras). Detta är ett exempel på en process där den absorberade värmen omvandlas helt till arbete med 100 procents effektivitet. Processen bryter dock inte med grundläggande begränsningar för effektivitet, eftersom en enda expansion i sig inte är en cyklisk process.
Det andra villkoret, känt som en adiabatisk expansion (från grekiska adiabatos, som betyder ”oförgänglig”), är en i vilken cylindern antas vara perfekt isolerad så att ingen värme kan strömma in i eller ut ur cylindern. I detta fall svalnar gasen när den expanderar, för enligt den första lagen, arbetet mot den begränsande kraften på kolven kan bara komma från gasens inre energi. Således måste förändringen i gasens inre energi vara ΔU = −W, vilket manifesteras av en minskning av dess temperatur. Gasen svalnar, till och med borde det inte finnas något värmeflöde, för det gör arbete på bekostnad av sin egen inre energi. Den exakta mängden kylning kan beräknas utifrån gasens värmekapacitet.
Många naturfenomen är effektivt adiabatiska eftersom det inte finns tillräckligt med tid för att betydande värmeflöde ska uppstå. Till exempel när varm luft stiger i atmosfären expanderar den och svalnar när trycket sjunker med höjd, men luft är en bra värmeisolator och det finns därför inget signifikant värmeflöde från den omgivande luften. I detta fall spelar den omgivande luften rollerna för både de isolerade cylinderväggarna och den rörliga kolven. Den varma luften fungerar mot trycket från den omgivande luften när den expanderar, och därför måste temperaturen sjunka. En mer detaljerad analys av denna adiabatiska expansion förklarar det mesta av temperaturnedgången med höjd, och redogör för det välkända faktumet att det är kallare på toppen av ett berg än vid dess bas.