Figur 1. En ångmaskin använder sig av värmeöverföring för att utföra arbete. Turister åker regelbundet med detta smalspåriga ånglokståg nära San Juan Skyway i Durango, Colorado, som ingår i National Scenic Byways Program. (kredit: Dennis Adams)

Värmeöverföring är energi i transit, och den kan användas för att utföra arbete. Den kan också omvandlas till någon annan form av energi. En bilmotor förbränner till exempel bränsle för värmeöverföring till en gas. Gasen utför arbete när den utövar en kraft över ett avstånd och omvandlar sin energi till en mängd andra former – till bilens kinetiska eller gravitationella potentiella energi, till elektrisk energi för att driva tändstift, radio och lampor, och tillbaka till lagrad energi i bilens batteri. Men den största delen av den värmeöverföring som produceras när bränsle förbränns i motorn utför inget arbete på gasen. Snarare släpps energin ut i miljön, vilket innebär att motorn är ganska ineffektiv.

Det sägs ofta att moderna bensinmotorer inte kan göras betydligt effektivare. Vi hör samma sak om värmeöverföring till elektrisk energi i stora kraftverk, oavsett om de är kol-, olje-, naturgas- eller kärnkraftsdrivna. Varför är det så? Beror ineffektiviteten på konstruktionsproblem som skulle kunna lösas med bättre teknik och bättre material? Är det en del av en penningtillverkande konspiration från dem som säljer energi? Sanningen är faktiskt mer intressant och avslöjar mycket om värmeöverföringens natur.

Grundläggande fysikaliska lagar styr hur värmeöverföring för att utföra arbete äger rum och sätter oöverstigliga gränser för dess effektivitet. I det här kapitlet utforskas dessa lagar samt många tillämpningar och begrepp som är förknippade med dem. Dessa ämnen är en del av termodynamiken – studiet av värmeöverföring och dess förhållande till arbete.