Первый закон термодинамики устанавливает эквивалентность различных форм энергии, соотношение между изменением внутренней энергии системы, количеством подведенной теплоты и работой процесса, но он не позволяет решить вопрос о возможности протекания того или иного процесса, направление его развития и глубины протекания.
Наблюдения за явлениями природы показывают, что превращение работы в теплоту происходит вполне и безусловно. Обратный процесс превращения теплоты в работу при непрерывном ее переходе возможен только при определенных условиях и вся теплота полностью не может превратиться в работу. Теплота сама собой может переходить от более нагретых тел к холодным, но переход теплоты от холодных тел к нагретым сам не происходит. Для этого нужно затратить дополнительную энергию.
Таким образом, для полного анализа явлений и процессов необходимо иметь кроме первого закона термодинамики еще одну дополнительную закономерность, которой и является второй закон термодинамики. Он устанавливает, возможен или невозможен тот или иной процесс, в каком направлении протекает процесс, когда достигается термодинамическое равновесие, и при каких условиях можно получить максимальную работу.
Впервые сущность второго закона термодинамики выразил французский инженер и ученый Сади Карно в 1824 году. Его формулировка устанавливали условия, при которых в тепловых двигателях возможно превращение теплоты в работу, показывали, от чего зависит эффективность этого преобразования.
В 1850 году немецкий физик Р. Клаузиус дал первое общая формулировка второго закона термодинамики: "Теплота не может самопроизвольно переходить от более холодного тела к более нагретому".
Глубокое изучение самопроизвольных процессов (диффузия, растворение) показывает, что все они являются необратимыми. Это позволило в наиболее общем виде сформулировать второй закон термодинамики: "Любой реальный самопроизвольный процесс является необратимым".
Все рабочие формулировки второго закона термодинамики являются частными случаями этого наиболее общей формулировки. например:
1) теплота, которую получил теплоприемник, не вся может быть преобразована в работу, а только ее часть (Р. Клаузиус)
2) невозможно построить периодически действующую машину, все действия которой сводились к поднятию некоторого груза и охлаждения теплового источника (М. Планк);
3) там, где есть разница температур, возможно осуществление работы (С. Карно);
4) вечный двигатель второго рода невозможен (В. Освальд). Для существования теплового двигателя необходимы 2 источника - горячий источник и холодный источник (окружающая среда). Если тепловой двигатель работает только от одного источника, то есть вполне превращает в работу всю теплоту, которую получает от горячего источника, то он называется вечным двигателем второго рода. Вечный двигатель первого рода - это тепловой двигатель, у которого работа больше, чем подведена теплота (L> Qi).
Первый закон термодинамики "позволяет" возможность создать тепловой двигатель, который вполне превращает приподнятую теплоту на работу, т.е. L = Qi. Второй закон накладывает более жесткие ограничения и утверждает, что работа должна быть меньше подведенной теплоты (L <Qi) на величину отведенной теплоты - Q2, т.е. L = Qi - Q2. Вечный двигатель второго рода можно осуществить, если теплоту Q2 передавать от холодного источника к горячему. Но для этого теплота самовольно должна перейти от холодного тела к горячему, невозможно.
Все формулировки второго закона термодинамики взаимосвязаны, с одной формулировки можно получить другое.