Figuur 1. Een stoommachine maakt gebruik van warmteoverdracht om arbeid te verrichten. Toeristen maken regelmatig een ritje met deze smalspoorstoomtrein bij de San Juan Skyway in Durango, Colorado, een onderdeel van het National Scenic Byways-programma. (credit: Dennis Adams)

Warmteoverdracht is energie in beweging, en die kan worden gebruikt om arbeid te verrichten. Het kan ook worden omgezet in een andere vorm van energie. Een automotor, bijvoorbeeld, verbrandt brandstof voor warmteoverdracht in een gas. Het gas verricht arbeid omdat het een kracht uitoefent over een afstand, waarbij de energie wordt omgezet in een verscheidenheid van andere vormen – in kinetische of gravitationele potentiële energie van de auto; in elektrische energie om de bougies, radio en lichten te laten werken; en terug in opgeslagen energie in de accu van de auto. Maar het grootste deel van de warmte die vrijkomt bij de verbranding van brandstof in de motor werkt niet op het gas. In plaats daarvan wordt de energie aan de omgeving afgegeven, wat impliceert dat de motor tamelijk inefficiënt is.

Vaak wordt gezegd dat moderne benzinemotoren niet significant efficiënter kunnen worden gemaakt. Hetzelfde horen we over warmteoverdracht naar elektrische energie in grote elektriciteitscentrales, of ze nu op kolen, olie, aardgas of kernenergie werken. Waarom is dat zo? Is de inefficiëntie te wijten aan ontwerpproblemen die met betere engineering en superieure materialen kunnen worden opgelost? Is het een onderdeel van een complot om geld te verdienen van degenen die energie verkopen? Eigenlijk is de waarheid interessanter, en onthult veel over de aard van warmteoverdracht.

Basische natuurkundige wetten bepalen hoe warmteoverdracht voor het verrichten van arbeid plaatsvindt en stellen onoverkomelijke grenzen aan de efficiëntie ervan. In dit hoofdstuk komen deze wetten aan de orde, evenals vele toepassingen en concepten die ermee samenhangen. Deze onderwerpen maken deel uit van de thermodynamica – de studie van warmteoverdracht en de relatie met arbeid.