Figura 1. Un motore a vapore usa il trasferimento di calore per fare lavoro. I turisti salgono regolarmente su questo treno a vapore a scartamento ridotto vicino alla San Juan Skyway a Durango, Colorado, parte del National Scenic Byways Program. (credit: Dennis Adams)

Il trasferimento di calore è energia in transito, e può essere usata per fare lavoro. Può anche essere convertito in qualsiasi altra forma di energia. Il motore di un’automobile, per esempio, brucia il carburante per trasferire il calore in un gas. Il lavoro è fatto dal gas mentre esercita una forza attraverso una distanza, convertendo la sua energia in una varietà di altre forme – nell’energia potenziale cinetica o gravitazionale dell’auto; in energia elettrica per far funzionare le candele, la radio e le luci; e di nuovo in energia immagazzinata nella batteria dell’auto. Ma la maggior parte del trasferimento di calore prodotto dalla combustione del carburante nel motore non fa lavoro sul gas. Piuttosto, l’energia viene rilasciata nell’ambiente, il che implica che il motore è piuttosto inefficiente.

Si dice spesso che i moderni motori a benzina non possono essere resi significativamente più efficienti. Si sente dire lo stesso del trasferimento di calore all’energia elettrica nelle grandi centrali elettriche, siano esse a carbone, a petrolio, a gas naturale o nucleari. Perché è così? L’inefficienza è causata da problemi di progettazione che potrebbero essere risolti con una migliore ingegneria e materiali superiori? Fa parte di qualche cospirazione per fare soldi da parte di coloro che vendono energia? In realtà, la verità è più interessante e rivela molto sulla natura del trasferimento di calore.

Le leggi fisiche di base governano il modo in cui avviene il trasferimento di calore per fare lavoro e pongono limiti insormontabili alla sua efficienza. Questo capitolo esplorerà queste leggi così come molte applicazioni e concetti associati ad esse. Questi argomenti fanno parte della termodinamica – lo studio del trasferimento di calore e la sua relazione con il lavoro.