等温而且绝热过程

因为热发动机可能要经过一系列复杂的步骤，一个简化的模型常被用来说明热力学原理。特别地，考虑气体在一个圆柱体内用一个可移动的活塞在规定的条件下。有两组特别重要的条件。一种称为等温膨胀的条件是使气体保持恒定温度．由于气体与活塞的作用力相反，它必须吸收热量以保持热量能源．否则，它会在膨胀时冷却(或者相反，在压缩时加热)。这是一个过程的例子，在这个过程中，吸收的热量完全转化为百分之百的功效率．然而，这个过程并没有违反效率的基本限制，因为单个扩展本身并不是一个循环过程。

第二种情况，被称为绝热膨胀(源自希腊语)adiabatos(意为“不可通过的”)是一种假定圆筒完全绝缘，因此没有热量可以流入或流出圆筒的方法。在这种情况下，气体膨胀时冷却，因为根据第一定律，对活塞上的约束力所做的功只能来自于内部能量气体的。因此，气体的热力学能的变化量一定是ΔU=−W,因为体现通过降低它的温度。气体冷却，即使没有热流，因为它做功的代价是它自身的热力学能。准确的冷却量可以从热容气体的。

许多自然现象实际上是绝热的，因为没有足够的时间来产生显著的热流。例如，当温暖的时候空气上升到大气时，它会膨胀和冷却压力随着高度下降，但空气是一个很好的隔热体，所以周围的空气没有明显的热流。在这种情况下，周围的空气同时扮演了绝缘气缸壁和活动活塞的角色。暖空气在膨胀时确实与周围空气提供的压力相对抗，因此它的温度必须下降。对这种绝热膨胀的更详细的分析解释了温度随海拔高度下降的大部分原因，解释了一个熟悉的事实，即在顶部温度更低山比在它的底部。