Działanie prawie każdego silnika cieplnego opiera się na takim zjawisku termodynamicznym, jak praca wykonywana przez gaz podczas rozprężania lub sprężania. W tym miejscu warto pamiętać, że w fizyce praca jest rozumiana jako miara ilościowa, charakteryzująca działanie określonej siły na ciało. Zgodnie z tym praca gazu, którego warunkiem koniecznym jest zmiana jego objętości, jest niczym innym jak iloczynem ciśnienia i tej zmiany objętości.
Praca gazu ze zmianą jego objętości może być zarówno izobaryczna, jak i izotermiczna. Ponadto sam proces rozbudowy również może być dowolny. Pracę wykonaną przez gaz podczas ekspansji izobarycznej można znaleźć za pomocą następującego wzoru:
A=pΔV, w którym p jest ilościową charakterystyką ciśnienia gazu, a ΔV jest różnicą między objętością początkową i końcową.
Proces dowolnej ekspansji gazu w fizyce jest zwykle przedstawiany jako sekwencja oddzielnych procesów izobarycznych i izochorycznych. Te ostatnie charakteryzują się tym, że praca gazu, jak i jego wskaźników ilościowych jest równa zeru, ponieważ tłok nie porusza się w cylindrze. Na w takich warunkach okazuje się, że praca gazu w dowolnym procesie będzie się zmieniać wprost proporcjonalnie do wzrostu objętości naczynia, w którym porusza się tłok.
Jeśli porównamy pracę wykonaną przez gaz podczas rozprężania i sprężania, to można zauważyć, że podczas rozprężania kierunek wektora przemieszczenia tłoka pokrywa się z wektorem siły nacisku samego tego gazu, zatem w rachunku skalarnym praca gazu jest dodatnia, a siły zewnętrzne ujemne. Kiedy gaz jest sprężony, wektor sił zewnętrznych pokrywa się już z ogólnym kierunkiem ruchu cylindra, więc ich praca jest dodatnia, a praca gazu ujemna.
Rozważanie pojęcia „pracy wykonywanej przez gaz” będzie niepełne, jeśli nie poruszymy również procesów adiabatycznych. W termodynamice takie zjawisko jest rozumiane jako proces, w którym nie zachodzi wymiana ciepła z żadnymi ciałami zewnętrznymi.
Jest to możliwe na przykład w przypadku, gdy zbiornik z pracującym tłokiem ma dobrą izolację termiczną. Ponadto procesy sprężania lub rozprężania gazu można utożsamić z adiabatycznymi, jeśli czas zmiany objętości gazu jest znacznie krótszy niż przedział czasu, w którym występuje równowaga termiczna między otaczającymi ciałami a gazem.
Najczęstszym procesem adiabatycznym w życiu codziennym można uznać pracę tłoka w silniku spalinowym. Istota tego procesu jest następująca: jak wiadomo z I zasady termodynamiki, zmiana energii wewnętrznej gazubędzie ilościowo równa działaniu sił skierowanych z zewnątrz. Ta praca jest dodatnia w jej kierunku, a zatem energia wewnętrzna gazu wzrośnie, a jego temperatura wzrośnie. W takich warunkach początkowych jest jasne, że podczas ekspansji adiabatycznej nastąpi praca gazu z powodu spadku jego energii wewnętrznej, odpowiednio temperatura w tym procesie zmniejszy się.
