Первый закон термодинамики говорит о том, что невозможно получить работу без подвода энергии извне, в частности в форме теплоты, то есть закон устанавливает возможность взаимопревращений работы и теплоты, но не устанавливает особенности превращения теплоты в работу и работы в теплоту. Но работа в теплоту превращается легко, просто и без потерь, а для превращения теплоты в работу нужны сложные технические устройства, и это превращение теплоты всегда сопровождается потерями энергии. С точки зрения физики, различие кроется на уровне превращения упорядоченного движения в хаотическое (A®Q) и хаотического в упорядоченное (Q®A).
Все процессы в природе подразделяются на самопроизвольные и вынужденные. Самопроизвольные: падение давления в сосуде при разгерметизации, диффузия газов, передача теплоты от более к менее нагретому телу и т.д., и в общем случае – превращении работы в теплоту. Вынужденные: нагнетание давления, разделение газов и т.д., и в общем случае – превращение теплоты в работу.
Ранняя формулировка 2-ого закона термодинамики (формулировка Томсона): «Невозможно провести отрицательный (вынужденный) процесс без компенсации его положительным самопроизвольным процессом».
Пример: Таяние снега – вынужденный процесс, так как сопровождается самопроизвольным процессом передачей тепла от более нагретого тела к менее нагретому (от Солнца к Земле).
Известны также другие формулировки второго закона термодинамики:
- «Каждый вынужденный процесс избегает одиночества и требует сопровождения себя самопроизвольным процессом»;
- «Невозможно построить тепловой двигатель, термический КПД которого превышал бы термо-КПД цикла Карно»;
- «Энтропия в адиабатически изолированных системах всегда возрастает»;
- «Вечный двигатель 2-ого рода невозможен».
Вечный двигатель 2-ого рода – двигатель, единственным источником теплоты которого, являлась бы теплота окружающей среды.
С точки зрения первого закона термодинамики это возможно, но второй закон термодинамики утверждает, что должно быть как минимум два источника теплоты: нагреватель (ВИТ) и холодильник (НИТ).
Рассмотрим прямой обратимый цикл Карно:
|
|
|
|
|
Для обратимых процессов известно соотношение dQ = TdS.
Для изотермических процессов после интегрирования получаем:
Q1 = T1(S2 – S1), Q2 = T2(S1 – S2). Отведенная теплота Q2 считается отрицательной.
Термический КПД 
для любых процессов (обратимых и необратимых) имеет общую формулу
(182)
Тогда 
.
(183)
Из (183) следует теорема Карно:
Термо-КПД обратимого цикла Карно не зависит от состава рабочего тела и определяется только температурами нагревателя T1 (ВИТ) и холодильника T2 (НИТ)
Все реальные процессы являются необратимыми, так как всегда сопровождаются дополнительными потерями энергии в окружающую среду, то есть:
Откуда из (182)
(184)
Подставим в (184) значения 
из (182) и (183) и получим:
, откуда окончательно
(185)
Формула (185) справедлива для необратимых процессов.
Для обратимых процессов, когда 
, из (182) и (184) получим
, откуда для обратимых процессов
(186)
Рассмотрим на рис.18 произвольный прямой обратимый цикл 1-а-2-в-1 и разобьем его бесчисленным числом адиабат, добавим к ним элементарные изотермические участки и образуем таким образом бесчисленное количество элементарных циклов Карно:
P
1 a
 |  | ||||||
 | |||||||
 | |||||||
2
b
 | |||
 |
|
Для элементарного цикла Карно уравнение (186) запишется следующим образом:
(187)
Проинтегрируем (187) по замкнутому контуру:
или 
(188)
Из математики известно, что равенство нулю линейного интеграла по замкнутому контуру означает наличие полного дифференциала в качестве подинтегральной функции.
Для обратимых процессов dQ/Т = dS, поэтому из (188) следует, что dS является полным дифференциалом, и, соответственно, энтропия является функцией состояния. Изменение S не зависит от пути перехода и определяется только ее значениями в начальном и конечном состояниях: ∆S=S2-S1.
Для необратимых процессов dQ ¹ T dS.
На рис.19 изображен гипотетический цикл, часть которого (1-а-2) является обратимой, а оставшаяся (2-в-1) - необратимой. Суммарно такой процесс является необратимым. Для элементарного прямого необратимого цикла Карно (185) запишется следующим образом:
(189)
 | |||
 | |||
p
1 a
 |
2
b
 | |||
|
V
|
Проинтегрируем (193) по замкнутому контуру
откуда ∆S=S2-S1> 
Или после дифференцирования
(190)
В необратимых процессах изменение энтропии всегда больше, нежели в обратимых процессах
Клаузиус предположил, что все процессы в масштабах Вселенной являются суммарно – адиабатными, для которых dQ = 0. Тогда из (190), получаем
(195)
Уравнение (191) называют математической формулировкой второго закона термодинамики.
Энтропия – это мера неупорядоченности системы.
Sгаза>Sжидк>Sтв.тел.
По Клаузиусу, теплота, переходя от более нагретых тел к менее нагретым телам, будет излучаться в космическое пространство, передаваться к другим космическим телам и через какое-то время температура во Вселенной должна выровняться. Для преобразования теплоты в работу необходимо иметь как минимум два источника теплоты (ВИТ и НИТ), но так как температура НИТ и ВИТ будет одинаковой, то преобразование теплоты в работу станет невозможным. Именно эта потеря энергией способности к преобразованиям называется тепловой смертью Вселенной.
Критика тепловой смерти Вселенной.
С философской точки зрения, у любого конца, есть свое начало, а в масштабах бесконечного вселенского времени таких чередований «начало-конец», «конец-начало», должно быть бесчисленное множество. Эта позиция хорошо согласуется с современной теорией пульсирующей Вселенной. Факт разбегания Вселенной установили по так называемому «красному смещению» (эффект Доплера): излучение удаляющихся тел смещается в красную часть спектра, а приближающихся – в фиолетовую («фиолетовое смещение»).
С точки зрения статистической физики критику тепловой смерти дал Больцман, по которому термодинамическое состояние системы – это её наиболее вероятное состояние. Но наряду с наиболее вероятными состояниями, есть маловероятные, называемые флуктуациями. Процессы с dS>0 – это наиболее вероятные, но должны быть и флуктуации с dS<0, компенсирующие наиболее вероятные события.
И, наконец, последний аргумент. Строение Вселенной только начинает изучаться, поэтому считать ее адиабатической системой преждевременно…
Третьим законом термодинамики называют следствие тепловой теоремы Нернста (рассматривается в химической термодинамике). По этой теореме при T®0, величина S®0, поэтому получить абсолютный ноль температур невозможно так как при S = 0 все формы движения должны прекратится.
