Silniki cieplne mają za zadanie przekształcać energię wewnętrzną w energię mechaniczną. Najczęściej ciepło pochodzące ze spalania paliwa jest dostarczane do gazu roboczego, który, rozprężając się, wykonuje pracę – wprawia w ruch jakiś mechanizm. Rozprężanie gazu nie może się odbywać nieograniczenie, ponieważ silnik ma skończone rozmiary. Dlatego gaz musi być z powrotem sprężony tak, aby wszystkie części silnika wróciły do stanu wyjściowego, po czym cykl przemian powtarza się i za każdym razem silnik wykonuje pracę. Otóż taki proces termodynamiczny, po którym układ wraca do stanu wyjściowego po wykonaniu pośrednich przemian, nazywamy cyklem termodynamicznym lub procesem kołowym.

Na wykresie zależności $p$ od $V$ (il. 7.18) cykl termodynamiczny przedstawia krzywa zamknięta. Silnik może wykonywać pracę użyteczną pod warunkiem, że praca przy rozprężaniu gazu jest większa od pracy przy jego sprężaniu. W takim przypadku cykl musi przebiegać w kierunku pokazanym na wykresie za pomocą strzałek. Tylko wtedy pole powierzchni pod krzywą procesu rozprężania gazu (pole powierzchni pod tą krzywą wyraża pracę wykonaną przez gaz) będzie większe od pola powierzchni pod krzywą sprężania gazu (wyrażającego pracę wykonaną nad gazem) i oczywiście wtedy pole powierzchni wewnątrz pętli wyrażać będzie pracę użyteczną $W$ wykonaną przez silnik.

Jeżeli układ termodynamiczny wykonuje cykl w odwrotnym kierunku, to mamy do czynienia z maszyną chłodzącą, która kosztem pracy $W$ transportuje ciepło z ciała o niższej temperaturze do ciała o wyższej temperaturze.

Silnik benzynowy

Nasze wiadomości z dziedziny termodynamiki pozwolą na zrozumienie i przeanalizowanie pracy zwykłego silnika benzynowego czterosuwowego używanego w samochodach i innych pojazdach. Silnik nazywa się czterosuwowym dlatego, że na pełny cykl pracy przypadają cztery pełne przesunięcia tłoka: dwukrotnie w górę i dwukrotnie w dół.

Kolejne etapy pracy silnika przedstawione są na il. 7.19. Silnik wykonuje pracę kosztem energii wydzielanej w postaci ciepła podczas spalania mieszanki benzynowej, która jest zawiesiną rozpylonych w powietrzu kropelek benzyny. Podczas wtryskiwania mieszanki benzynowej tłok przesuwa się w dół, zasysając mieszankę pod stałym ciśnieniem równym ciśnieniu atmosferycznemu – około 1 atm. Po wtryśnięciu mieszanki paliwowej zostaje zamknięty zawór i następuje jej sprężenie adiabatyczne, po czym między elektrodami świecy zapłonowej wymuszany jest przeskok iskry. Mieszanka wybucha, dzięki czemu ciśnienie w cylindrze gwałtownie rośnie, osiągając typową wartość ok. 20 atm $\text{(}{p}_1$ na wykresie – il. 7.20). Teraz tłok zostaje gwałtownie odrzucony i gorący gaz rozpręża się od objętości $V_1$ do $V_2$ adiabatycznie (adiabatycznie – ponieważ ciepło nie zdąży uciec do otoczenia). Właśnie podczas tego procesu silnik wykonuje pracę. Jest to tak zwany suw pracy. Następnie, przy otwartym zaworze, spaliny zostają wypchnięte na zewnątrz. Cały cykl powtarza się od nowa.

Obliczymy teraz sprawność omawianego silnika. Sprawność silnika $\eta$ jest równa stosunkowi pracy wykonanej przez silnik $\Delta W$ do energii pobranej $\Delta U$:

Energia pobrana przez silnik jest równa przyrostowi energii wewnętrznej uzyskanej dzięki ciepłu spalania mieszanki. Uprawnione jest traktowanie zarówno mieszanki, jak i powstałych z niej spalin, jako gazu. Przyrost energii wewnętrznej wynosi:

gdzie: $m$ – masa gazu, $T_1$ – temperatura gazu tuż po zapłonie, $T_1^{\text{'}}$ – temperatura gazu tuż przed zapłonem.

Praca podczas rozprężania adiabatycznego, zgodnie ze wzorem (7.27), wynosi:

gdzie: $p_1$ i $V_1$ – odpowiednio, ciśnienie i objętość gazu tuż po zapłonie, $V_2$ – objętość gazu po rozprężeniu adiabatycznym, czyli po wykonaniu suwu pracy (patrz il. 7.19 i il. 7.20).

Natomiast przed zapłonem praca adiabatycznego sprężania gazu wynosi:

gdzie $p_1^{\text{'}}$ – ciśnienie gazu tuż przed zapłonem (il. 7.20). Wypadkowa praca wykonana przez silnik wynosi $W_1–W_2=\Delta W$, więc:

Z równania Clapeyrona wynika, że $\left(p_1-p_1^{\text{'}}\right)V_1=nR\left(T_1-T_1^{\text{'}}\right)$, więc:

Po podzieleniu tak otrzymanej pracy przez energię pobraną przez silnik (7.29) otrzymamy wzór na sprawność silnika:

Ułamek przed nawiasem kwadratowym jest równy 1, ponieważ zgodnie ze wzorem (6.19):

Stąd otrzymujemy ostatecznie wzór na sprawność silnika:

Widzimy, że sprawność silnika zależy od stosunku $\frac{V_1}{V_2}$, czyli od stosunku objętości początkowej do końcowej podczas suwu pracy silnika. Odwrotność tego stosunku nazywa się stopniem sprężania silnika, gdyż odpowiada to stosunkowi objętości przy sprężaniu mieszanki benzynowej. Wzór ten daje możność obliczenia górnej teoretycznej granicy sprawności silnika. W praktyce sprawność silników spalinowych jest dużo niższa, ponieważ wzór ten został wyprowadzony przy pominięciu strat energii występujących w rzeczywistym silniku – część mieszanki nie zostaje w ogóle spalona i zostaje wydalona na zewnątrz, część ciepła ucieka przez chłodzone ścianki silnika, część energii rozprasza się na skutek tarcia itp. Na przykład, podstawiając do wzoru (7.35) typowy stopień sprężania silnika 8 do 1 oraz $\kappa =\mathrm{1,4}$ (dla mieszanki powietrza), otrzymujemy sprawność równą 56%, podczas gdy silnik taki w praktyce nie osiąga sprawności wyższej niż 25%.