在19世纪初期，由于热机的广泛应用，使提高热机的效率成为一个十分迫切的问题。人们根据热力学第一定律，知道制造一种效率大于 的循环动作的热机（第一类永动机）只是一种空想，因为这违反能量转化与守恒定律，所以不可能实现。但是，制造一个效率为 的循环动作的热机（第二类永动机），有没有可能呢？设想的这种热机，它只从一个热源吸取热量，并使之全部转化为功；它不需要冷源，也没有释放出热量。这种热机可不违反热力学第一定律，因而对人们有很大的吸引力。无数尝试证明，第二类永动机同样是一种幻想，也是不可能实现的。
根据这些事实，开尔文（W.Thomson Lord Kelvin）总结出一条重要原理，叫做热力学第二定律。热力学第二定律的开尔文叙述是这样的：不可能制成一种循环动作的热机，只从一个热源吸取热量，使之全部变为有用的功，而其他物体不发生任何变化。从文字上看，热力学第二定律的开尔文叙述反映了热功转化的一种特殊规律。
1850年，克劳修斯(R.J.E.Clausius )在大量事实的基础上提出热力学第二定律的另一种叙述：热量不可能自动地从低温物体传向高温物体。克劳修斯的叙述正是反映了热量传递的这种特殊规律。
自然界中出现的热力学过程是有方向性的，某些方向的过程可以自动实现而另一方向的过程则不能。热力学第一定律说明在任何过程中能量必须守恒，热力学第二定律则说明并非所有能量守恒的过程均能实现。热力学第二定律是反映自然界过程进行的方向和条件的一个规律，在热力学中，它和第一定律相辅相成，缺一不可。
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