تبدیل

وقتی دو سنگ را در زیر آب به یکدیگر می ساییم کاری که در مقابل اصطکاک انجام می دهیم به انرژی داخلی تبدیل و باعث بالا رفتن دمای سنگ ها می شود. اما به محض این که دمای سنگ ها از دمای آب مجاور بالاتر می رود یک جریان گرما وارد آب می شود. اگر جرم آب به قدر کافی زیاد باشد و یا آب به طور پیوسته در جریان باشد، هیچ افزایش دمای قابل ملاحظه ای وجود نخواهد داشت و آب را می توان به عنوان یک منبع گرمایی به حساب آورد. چون حالت سنگ ها در آغاز و پایان این فرآیند یکسان است، نتیجه ی نهایی فرآیند صرفا تبدیل کار مکانیک به گرماست.

همچنین وقتی یک جریان الکتریکی در مقاومتی که در داخل آب جاری یا در داخل جرم خیلی زیادی از آب فرو برده شده است، برقرار شود، تبدیل کار الکتریکی به گرما وجود خواهد داشت بدون این که تغییری در مختصات ترمودینامیکی سیستم به وجود آید. به طور کلی هر نوع کار w می تواند بر روی سیستمی که در تماس با یک منبع است انجام گیرد بدون این که حالت سیستم را تغییر دهد باعث ایجاد گرمای Q شود. سیستم صرفا به صورت یک واسطه عمل می کند. از قانون اول پیداست که کار W مساوی با گرمای Q است یا به عبارت دیگر تبدیل کار به گرما با بازده ی صد در صد انجام می گیرد. بعلاوه این انتقال می تواند به طور نا محدود ادامه یابد.

برای مطالعه‌ی فرآیند معکوس یعنی تبدیل گرما به کار باید یک فرآیند یا یک رشته فرآیند داشته باشیم که بتوانند چنین تبدیلی را به طور نامحدود بدون این که تغییر برآیندی در حالت هیچ یک از سیستم ها رخ دهد، به وجود آورند. در نگاه اول ممکن است به نظر برسد که انبساط همدمای یک گاز کامل می تواند فرآیند مناسبی برای مطرح کردن در بحث تبدیل گرما به کار باشد. در این حالت چون دما ابت باقی می ماند، هیچ تغییری در انرژی داخلی به وجود نمی آید و لذا W = Q- ، یعنی گرما کاملا تبدیل به کار شده است. لیکن این فرآیند باعث تغییر حالت گاز می شود. حجم گاز افزایش و فشار آن کاهش می یابد تا به فشار اتمسفری که در آن فشار فرآیند متوقف می شود، برسد. لذا این فرآیند را نمی توان به طور نامحدود به کار برد.

آنچه مورد نیاز است عبارت از یک رشته فرآیند است که در طی آن سیستم به حالت اولیه اش بازگردانده شود، یعنی چرخه مورد نیاز است. هر یک از فرآیندهایی که چرخه را تشکیل می دهند ممکن است شامل یک جریان گرما به داخل سیستم و یا به خارج از آن و انجام کار توسط سیستم یا بر روی آن باشد. برای یک چرخه ی کامل:

تعداد کل واحدهای گرما را که توسط سیستم جذب شده است با نمادنشان می دهیم

تعداد کل واحدهای گرما را که توسط سیستم پس داده شده است با نمادنشان می دهیم

تعداد کل واحدهای کار را که توسط سیستم انجام  شده است با نماد نشان می دهیم

هر سه کمیت، و باید دارای یک یکا باشند. بدین ترتیب این کمیت ها به صورت قدر مطلق هایی هستند که فقط با اعداد مثبت نشان داده می شوند.

اگر بزرگ تر از Q_C  باشد و کار انجام شده توسط سیستم W باشد، دستگاه مکانیکی را توسط سیستم مورد نظر وادار به پیمودن چرخه می شود ماشین گرمایی می خوانیم. منظور از ماشین گرمایی این است که با پیمودن یک چرخه به طور مداوم کار به خارج تحویل دهد. کار خالص در چرخه، خروجی و گرمای جذب شده توسط ماشین، ورودی آن است. بازده ی گرمایی ماشین به صورت زیر تعریف می شود: