Kuva 1. Höyrykone käyttää lämmönsiirtoa työn tekemiseen. Turistit matkustavat säännöllisesti tällä kapearaiteisella höyryveturijunalla San Juan Skywayn lähellä Durangossa, Coloradossa, joka on osa National Scenic Byways -ohjelmaa. (luotto: Dennis Adams)

Lämmönsiirto on energiaa liikkeessä, ja sitä voidaan käyttää työn tekemiseen. Se voidaan myös muuntaa mihin tahansa muuhun energiamuotoon. Esimerkiksi auton moottori polttaa polttoainetta lämmön siirtyessä kaasuksi. Kaasu tekee työtä, kun se harjoittaa voimaa etäisyyden läpi, jolloin sen energia muuntuu moniin muihin muotoihin – auton liike- tai gravitaatiopotentiaalienergiaksi, sähköenergiaksi sytytystulppien, radion ja valojen käyttämiseksi ja takaisin auton akkuun varastoiduksi energiaksi. Suurin osa polttoaineen palamisesta moottorissa syntyvästä lämmönsiirrosta ei kuitenkaan vaikuta kaasuun. Pikemminkin energia vapautuu ympäristöön, mikä viittaa siihen, että moottori on varsin tehoton.

Usein sanotaan, että nykyaikaisia bensiinimoottoreita ei voida tehdä merkittävästi tehokkaammiksi. Samaa kuulee lämmön siirtymisestä sähköenergiaksi suurissa voimalaitoksissa, olivatpa ne sitten hiili-, öljy-, maakaasu- tai ydinvoimalaitoksia. Miksi näin on? Johtuuko tehottomuus suunnitteluongelmista, jotka voitaisiin ratkaista paremmalla suunnittelulla ja paremmilla materiaaleilla? Onko se osa energiaa myyvien tahojen rahanahneutta salaliittoa? Itse asiassa totuus on mielenkiintoisempi, ja se paljastaa paljon lämmönsiirron luonteesta.

Fysikaaliset peruslait säätelevät sitä, miten lämmönsiirto työn tekemistä varten tapahtuu, ja asettavat ylitsepääsemättömät rajat sen tehokkuudelle. Tässä luvussa tarkastellaan näitä lakeja sekä monia niihin liittyviä sovelluksia ja käsitteitä. Nämä aiheet ovat osa termodynamiikkaa – lämmönsiirron tutkimista ja sen suhdetta työn tekemiseen.