Figur 1. En dampmaskine bruger varmeoverførsel til at udføre arbejde. Turister kører jævnligt med dette smalsporede damplokomotivtog i nærheden af San Juan Skyway i Durango, Colorado, som er en del af National Scenic Byways Program. (credit: Dennis Adams)

Varmeoverførsel er energi i transit, og den kan bruges til at udføre arbejde. Den kan også omdannes til en hvilken som helst anden form for energi. En bilmotor forbrænder f.eks. brændstof til varmeoverførsel til en gas. Gassen udfører arbejde, idet den udøver en kraft gennem en afstand og omdanner sin energi til en række andre former – til bilens kinetiske eller gravitationspotentielle energi, til elektrisk energi til at drive tændrør, radio og lys og tilbage til lagret energi i bilens batteri. Men det meste af den varmeoverførsel, der produceres ved forbrænding af brændstof i motoren, udfører ikke arbejde på gassen. I stedet frigives energien til omgivelserne, hvilket indebærer, at motoren er ret ineffektiv.

Det siges ofte, at moderne benzinmotorer ikke kan gøres væsentligt mere effektive. Vi hører det samme om varmeoverførsel til elektrisk energi i store kraftværker, uanset om de er kul-, olie-, naturgas- eller atomkraftværker. Hvorfor er det tilfældet? Er ineffektiviteten forårsaget af designproblemer, som kunne løses med bedre teknik og bedre materialer? Er det en del af en pengeskabende sammensværgelse fra dem, der sælger energi? Sandheden er faktisk mere interessant og afslører meget om varmeoverførslens natur.

Grundlæggende fysiske love regulerer, hvordan varmeoverførsel med henblik på at udføre arbejde finder sted, og sætter uoverstigelige grænser for dens effektivitet. Dette kapitel vil undersøge disse love samt mange anvendelser og begreber, der er forbundet med dem. Disse emner er en del af termodynamikken – studiet af varmeoverførsel og dens forhold til at udføre arbejde.