Figure 1. Uma locomotiva a vapor utiliza a transferência de calor para fazer o trabalho. Os turistas andam regularmente neste trem de bitola estreita, próximo ao San Juan Skyway, em Durango, Colorado, parte do Programa Nacional de Vias Cênicas. (crédito: Dennis Adams)

A transferência de calor é energia em trânsito, e pode ser usada para fazer trabalhos. Também pode ser convertido para qualquer outra forma de energia. Um motor de carro, por exemplo, queima combustível para transferência de calor em um gás. O trabalho é feito pelo gás enquanto ele exerce uma força através de uma distância, convertendo sua energia em uma variedade de outras formas – em energia cinética ou potencial gravitacional do carro; em energia elétrica para fazer funcionar as velas, rádio e luzes; e de volta à energia armazenada na bateria do carro. Mas a maior parte da transferência de calor produzida pela queima de combustível no motor não funciona com o gás. Pelo contrário, a energia é libertada para o ambiente, o que implica que o motor é bastante ineficiente.

Diz-se frequentemente que os motores a gasolina modernos não podem ser feitos para serem significativamente mais eficientes. Ouvimos o mesmo sobre a transferência de calor para a energia elétrica em grandes centrais elétricas, sejam elas de carvão, petróleo, gás natural ou nucleares. Por que é esse o caso? A ineficiência é causada por problemas de projeto que poderiam ser resolvidos com melhor engenharia e materiais superiores? Faz parte de alguma conspiração de quem vende energia? Na verdade, a verdade é mais interessante, e revela muito sobre a natureza da transferência de calor.

As leis físicas básicas governam como a transferência de calor para fazer o trabalho ocorre e colocam limites intransponíveis à sua eficiência. Este capítulo irá explorar estas leis, assim como muitas aplicações e conceitos associados a elas. Estes tópicos são parte da termodinâmica – o estudo da transferência de calor e sua relação com a realização de trabalhos.