Abbildung 1. Eine Dampfmaschine nutzt die Wärmeübertragung, um Arbeit zu verrichten. Touristen fahren regelmäßig mit dieser Schmalspur-Dampflokomotive in der Nähe des San Juan Skyway in Durango, Colorado, der Teil des National Scenic Byways Program ist. (credit: Dennis Adams)

Wärmeübertragung ist Energie auf dem Transportweg, und sie kann zur Verrichtung von Arbeit genutzt werden. Sie kann auch in jede andere Form von Energie umgewandelt werden. Ein Automotor zum Beispiel verbrennt Kraftstoff, um Wärme in ein Gas zu übertragen. Das Gas verrichtet Arbeit, indem es eine Kraft über eine bestimmte Strecke ausübt und seine Energie in eine Vielzahl anderer Formen umwandelt – in die kinetische oder potenzielle Gravitationsenergie des Autos, in elektrische Energie für den Betrieb der Zündkerzen, des Radios und der Beleuchtung und zurück in gespeicherte Energie in der Autobatterie. Der größte Teil der Wärmeübertragung, die bei der Verbrennung des Kraftstoffs im Motor entsteht, wird jedoch nicht durch das Gas genutzt. Vielmehr wird die Energie an die Umgebung abgegeben, was bedeutet, dass der Motor ziemlich ineffizient ist.

Es wird oft gesagt, dass moderne Benzinmotoren nicht wesentlich effizienter gemacht werden können. Dasselbe hören wir über die Wärmeübertragung auf elektrische Energie in großen Kraftwerken, egal ob sie mit Kohle, Öl, Erdgas oder Atomkraft betrieben werden. Warum ist das der Fall? Ist die Ineffizienz auf Konstruktionsprobleme zurückzuführen, die mit besserer Technik und besseren Materialien gelöst werden könnten? Ist sie Teil einer Verschwörung derjenigen, die Energie verkaufen, um Geld zu verdienen? Die Wahrheit ist viel interessanter und verrät viel über die Natur der Wärmeübertragung.

Grundlegende physikalische Gesetze bestimmen, wie die Wärmeübertragung zur Verrichtung von Arbeit abläuft, und setzen ihrer Effizienz unüberwindliche Grenzen. In diesem Kapitel werden diese Gesetze sowie viele damit verbundene Anwendungen und Konzepte untersucht. Diese Themen sind Teil der Thermodynamik – der Lehre von der Wärmeübertragung und ihrer Beziehung zur Arbeitsleistung.