図1. 蒸気機関は熱伝導を利用して仕事をする。 コロラド州デュランゴのサンファン・スカイウェイ付近では、ナショナル・シーニック・バイウェイ・プログラムの一環として、このナローゲージの蒸気機関車に観光客が定期的に乗っています。 (credit: Dennis Adams)

熱伝導は移動中のエネルギーであり、仕事をするために使うことができる。 また、他のあらゆる形態のエネルギーに変換することもできます。 たとえば自動車のエンジンは、燃料を燃やして熱を気体に移動させます。 そのエネルギーは、車の運動エネルギーや重力位置エネルギー、スパークプラグやラジオ、ライトを動かすための電気エネルギー、そして車のバッテリーに蓄えられたエネルギーなど、さまざまな形に変換されるのである。 しかし、エンジンで燃料を燃やしたときに発生する熱伝達のほとんどは、ガスに作用しているわけではありません。

よく、現代のガソリンエンジンの効率を大幅に上げることはできないと言われます。 石炭、石油、天然ガス、原子力を問わず、大規模な発電所における電気エネルギーへの熱伝達についても同じことを耳にする。 なぜ、そうなるのだろうか。 より良い技術や優れた材料で解決できるはずの設計上の問題が、効率の悪さの原因なのだろうか。 それとも、エネルギーを売る側の金儲けの陰謀なのだろうか？ 実は、真実はもっと興味深く、熱伝達の性質について多くを明らかにしています。

仕事をするための熱伝達がどのように行われ、その効率に乗り越えられない限界があるのかは、基本的な物理法則によって規定されています。 この章では、これらの法則と、それらに関連する多くの応用や概念について探究します。 これらのトピックは熱力学の一部であり、熱伝導と仕事をすることとの関係を研究するものです。