Rysunek 1. Silnik parowy wykorzystuje wymianę ciepła do wykonywania pracy. Turyści regularnie jeżdżą tą wąskotorową kolejką parową w pobliżu San Juan Skyway w Durango, Colorado, części programu National Scenic Byways. (kredyt: Dennis Adams)

Przekazywanie ciepła jest energią w tranzycie, i może być użyta do wykonania pracy. Może być również przekształcony w każdą inną formę energii. Silnik samochodowy, na przykład, spala paliwo w celu przeniesienia ciepła do gazu. Gaz wykonuje pracę, ponieważ wywiera siłę na odległość, przekształcając swoją energię w różne inne formy – w kinetyczną lub grawitacyjną energię potencjalną samochodu, w energię elektryczną do zasilania świec zapłonowych, radia i świateł oraz z powrotem w energię zmagazynowaną w akumulatorze samochodu. Jednak większość ciepła przekazywanego w wyniku spalania paliwa w silniku nie działa na gaz. Raczej, energia jest uwalniana do środowiska, co sugeruje, że silnik jest dość inefficient.

Często mówi się, że nowoczesne silniki benzynowe nie mogą być wykonane, aby być znacznie bardziej wydajne. Słyszymy to samo o transferze ciepła do energii elektrycznej w dużych elektrowniach, niezależnie od tego, czy są one zasilane węglem, ropą, gazem ziemnym czy energią jądrową. Dlaczego tak się dzieje? Czy nieefektywność jest spowodowana problemami projektowymi, które można by rozwiązać dzięki lepszej inżynierii i lepszym materiałom? Czy jest to część jakiegoś spisku mającego na celu zarobienie pieniędzy przez tych, którzy sprzedają energię? Właściwie prawda jest bardziej interesująca i ujawnia wiele o naturze wymiany ciepła.

Podstawowe prawa fizyczne rządzą tym, jak wymiana ciepła w celu wykonania pracy ma miejsce i stawiają nieprzezwyciężalne ograniczenia na jej efektywność. W tym rozdziale poznamy te prawa, a także wiele zastosowań i pojęć z nimi związanych. Tematy te są częścią termodynamiki – badania wymiany ciepła i jego związku z wykonywaniem pracy.

.