Figura 1. Una máquina de vapor utiliza la transferencia de calor para realizar trabajo. Los turistas viajan regularmente en este tren con motor de vapor de vía estrecha cerca del San Juan Skyway en Durango, Colorado, que forma parte del National Scenic Byways Program. (crédito: Dennis Adams)
La transferencia de calor es energía en tránsito, y puede utilizarse para realizar trabajo. También puede convertirse en cualquier otra forma de energía. Un motor de automóvil, por ejemplo, quema combustible para transferir el calor a un gas. El gas realiza un trabajo al ejercer una fuerza a través de una distancia, convirtiendo su energía en una variedad de otras formas: en energía potencial cinética o gravitacional del coche; en energía eléctrica para hacer funcionar las bujías, la radio y las luces; y de nuevo en energía almacenada en la batería del coche. Pero la mayor parte de la transferencia de calor que se produce al quemar el combustible en el motor no realiza ningún trabajo sobre la gasolina. Más bien, la energía se libera al medio ambiente, lo que implica que el motor es bastante ineficiente.
A menudo se dice que los motores de gasolina modernos no pueden hacerse significativamente más eficientes. Lo mismo se dice de la transferencia de calor a la energía eléctrica en las grandes centrales eléctricas, ya sean de carbón, petróleo, gas natural o nucleares. ¿Por qué es así? ¿La ineficiencia se debe a problemas de diseño que podrían resolverse con una mejor ingeniería y materiales superiores? ¿Forma parte de una conspiración para ganar dinero por parte de los que venden energía? En realidad, la verdad es más interesante y revela mucho sobre la naturaleza de la transferencia de calor.
Las leyes físicas básicas rigen cómo se produce la transferencia de calor para realizar trabajo y ponen límites insuperables a su eficiencia. Este capítulo explorará estas leyes, así como muchas aplicaciones y conceptos asociados a ellas. Estos temas forman parte de la termodinámica, el estudio de la transferencia de calor y su relación con la realización de trabajo.