Termodinamik; ısı, iş, sıcaklık ve enerji arasındaki ilişki ile ilgilenen bilim dalıdır. Basit bir ifadeyle termodinamik, enerjinin bir yerden başka bir yere ve bir biçimden başka bir biçime transferi ile ilgilenir. Bu süreçteki anahtar kavram, ısının, belirli bir mekanik işe denk gelen bir enerji biçimi olmasıdır.
Bir soğutma çevrimi, soğutucu bir akışkanın ısıyı emmesi ve daha sonra yayması ile oluşan değişikliklerin tanımlandığı, bir soğutucu içinde gerçekleşen çevrimdir.
Carnot çevrimi, Sadi Carnot tarafından 1820'lerde ortaya konmuş özel bir termodinamik çevrimdir ve Benoît Paul Émile Clapeyron tarafından 1830 ve 1840'lı yıllarda geliştirilmiştir.
Rankine çevrimi, termodinamik bir çevrimdir. Diğer termodinamik çevrimler gibi, Rankine çevriminin maksimum verimi de, Carnot çevriminin maksimum verimli hesaplanması ile elde edilir. Rankine çevrimi adını William John Macquorn Rankine'den alır.
Brayton çevrimi, genel olarak gaz türbinlerinde kullanılan, periyodik bir prosestir. Günümüzde geçerli olan gaz akışkanlı güç çevrimleri içinde önemli bir yer tutar. Diğer içten yanmalı güç çevrimleri gibi açık bir sistem olmasına rağmen; termodinamik analiz için egzoz gazlarının ikinci bir ısı değiştirgecinden geçtikten sonra içeri alınıp tekrar kullanıldığı farzedilir ve kapalı bir sistem gibi analize uygun hale gelir. İsmini, mucidi olan George Brayton’dan almıştır. Aynı zamanda Joule çevrimi olarak da bilinir.
Termodinamik çevrim, bir veya daha çok hal değişimi gerçekleştiren, iş veya enerji üreterek veya enerjiyi transfer ederek ilk haline dönen bir çalışma akışkanı içeren çevrimlerdir. Tabloda termodinamik çevrimlerin listesi verilmiştir.
Stirling motoru, sıcak hava motoru olarak da bilinir. Dıştan yanmalı motorlu bir ısı makinesi tipidir. Isı değişimi prosesi, ısının mekanik harekete dönüşümünün ideal verime yakın olmasına izin verir.
Miller çevrimi, 4 zamanlı içten yanmalı motorlarda kullanılan bir yanma prosesidir. Miller çevriminin patenti 1940'lı yıllarda Amerikalı mühendis Ralph Miller tarafından alınmıştır. Bu motor tipi ilk kez gemilerde ve güç üretim istasyonlarında kullanılmış fakat daha sonra Mazda firması tarafından otomotive adapte edilmiş, Subaru tarafından hibrid modellerde kullanılmıştır.
Ericsson çevrimi, ismini John Ericsson’dan almış termodinamik bir çevrimdir. Gerçekte 2 çevrim bulmuş ve ısı makineleri üzerinde uygulamalarını göstermiştir. İlk çevrim Brayton çevrimi olarak bildiğimiz çevrimle hemen hemen aynıdır. İkinci çevrim Carnot çevrimine eşit verim ortaya koyar. Her ikisi de sık sık dıştan yanma kabiliyetleri açısından Stirling motoru ile karşılaştırılır ve ikinci çevrim aynı verimliliktedir.
Termodinamikte, geri döndürülemez olan işlemlere tersinmez denir. Termodinamiğin bu bakış açısına göre, doğal olan bütün işlemler tersinmezdir. Tersinmezlik olgusu, bir termodinamik sistemde etkilenen moleküller başka bir termodinamik sisteme aktarılsa bile, yeni termodinamik sistemdeki atom ve moleküllerin diziliş ve düzenlerinin eski termodinamik sistemdekinden farklı olması nedeniyle oluşmaktadır. Belirli bir miktarda "dönüşüm enerjisi","çalışan cisim" molekülleri bir halden başka bir hale geçerken birbirleri üzerinde iş yaptıkları için harcanmalıdır. Bu dönüşüm esnasında belirli bir miktar ısı enerjisi moleküller arası sürtünme ve çarpışmalar nedeniyle kaybedilecek veya dağılacaktır. Bu enerji işlem ters çevirildiğinde geri kazanılabilir olmayacaktır. Bu durum Rudolf Clausius tarafından "Termodinamik süreçte kullanılabilir olmayan bir miktar ısı vardır." şeklinde ifade edilmiştir.
Verimlilik, şu anlamlara gelebilir:
Termodinamik yasaları, termodinamiğin temelini oluşturan dört yasadır. Termodinamik proseslerdeki ısı ve iş transferlerinin yapısını tanımlar.
Yek-odaklı güneş enerjisi santralleri veya Konsantre güneş enerjisi sistemleri, aynalar ve bu aynalara bağlı güneşi izleme sistemleri vasıtasıyla geniş bir alana düşen güneş ışınlarını nispeten küçük bir alana yansıtma esasına dayanır. Küçük bir alana odaklandırılan güneş ışınları, klasik enerji santrallerinde ısı kaynağı olarak ya da güneş panellerine düşürülerek elektrik enerjisi kaynağı olarak kullanılır.
Enerji dönüşümü enerjinin bir biçimden diğerine dönüşümüdür. Fizikte enerji terimi bir sistemdeki belirli değişiklikleri oluşturma kapasitesini açıklar. Dönüşümde entropinin sınırlamaları göz ardı edilir. Sistemlerin toplam enerji dönüşümü, yalnızca enerjinin eklenmesi veya çıkarılması ile sağlanabilir. Termodinamiğin birinci kanununa göre enerji, dönüştürülebilen bir büyüklüktür. Bir sistemin toplam kütle miktarı, enerjisinin bir ölçüsüdür. Bir sistemdeki enerji dönüştürülebildiğinden dolayı, farklı bir hale veya başka bir biçime dönüşebilir. Çoğu haldeki enerji, birçok fiziksel iş yapmak için kullanılabilir. Enerji doğal süreçler veya makinelerde kullanılabilir. Ayrıca ısı, ışık veya harekete dönüşebilir. Örneğin bir güneş pili, güneş ışınımını elektrik enerjisine dönüştürür ve böylece ampul yanar veya bilgisayara güç sağlanır.
Enerji dönüşüm verimliliği (η), enerji dönüşümünün faydalı çıkışı ile girişi arasındaki oranın enerji olarak ifadesidir. Faydalı çıkış elektriksel güç, mekanik güç veya ısı olabilir.
Termodinamikte, ısı enerjisini mekanik enerjiye çeviren sistemlere Isı Motoru denir. Bu çeviriyi maddeyi çok yüksek sıcaklıklara getirip daha sonra düşük sıcaklıklara getirerek yapar. Isınan madde jeneratörün devinimsel kısmında "iş" yaparak enerjisini jeneratöre aktarır ve soğur. Bu işlem esnasında bir miktar termal enerji "iş"e dönüşür. Dönüşüm miktarı kullanılan maddeye bağlıdır.
Carnot bataryaları, elektriği ısıl enerji deposunda depolayan bir tür enerji depolama sistemidir. Şarj işlemi sırasında elektrik ısıya dönüştürülerek ısı deposunda depolanır. Deşarj işlemi sırasında depolanan ısı tekrar elektriğe dönüştürülür.
Atkinson çevrimi, 1882'de James Atkinson tarafından icat edilen bir içten yanmalı motor türüdür. Atkinson çevrimi, güç yoğunluğu pahasına verimlilik sağlamak üzere tasarlanmıştır.
Kombine çevrim enerji santrali, birbiri ardına sıralanmış, aynı ısı kaynağını kullanarak mekanik enerji üreten bir ısı motorları grubudur. Karada elektrik üretimi için kullanıldığı zaman kombine çevrim gaz türbini tesisi olarak adlandırılır. Benzer adlandırma, deniz taşıtlarında da kullanılır ve kombine gaz ve buhar tesisi olarak adlandırılır. İki veya daha fazla termodinamik çevrimin birleştirilmesi, genel verimliliği artırarak yakıt maliyetlerini azaltır.
Carnot ısı motoru, Carnot çevriminde çalışan bir ısı motorudur. Bu ısı motorunun temel hâli 1824'te Nicolas Léonard Sadi Carnot tarafından geliştirildi. Carnot motor modeli, 1834'te Benoît Paul Émile Clapeyron tarafından grafiksel olarak genişletildi ve 1857'de Rudolf Clausius tarafından matematiksel anlamda araştırıldı. Bu çalışmalar, temel bir termodinamik kavram olan entropinin keşfedilmesini sağladı. Carnot motoru, teorik olarak mümkün olan en verimli motordur. Verimlilik, yalnızca motorun arasında çalıştığı sıcak ve soğuk ısı rezervuarlarının mutlak sıcaklıklarına bağlıdır.