Pracovní látka během kruhového děje přijme od ohřívače teplo, ale jen část tohoto tepla se využije na konání práce. Zbytek tepla odevzdá pracovní látka chladiči. Tento poznatek platí pro libovolný kruhový děj s libovolnou pracovní látkou. Každý tepelný stroj uskutečňující s pracovní látkou kruhový děj se podřizuje této fyzikální zákonitosti. Vyjadřuje ji tzv. druhý termodynamický zákon, který vyslovil Max Planck: Není možné sestrojit periodicky pracující tepelný stroj, který by jen přijímal teplo od ohřívače a vykonával stejně velikou práci. Druhý termodynamický zákon odvodili nezávisle na sobě Rudolf Clausius v roce 1850 (Teplo nemůže samovolně přejít z tělesa studenějšího na teplejší.) a William Thomson, lord Kelvin v roce 1851 (Není možné získat práci kruhovým dějem tím způsobem, že by se jedno těleso ochladilo pod teplotu okolního prostředí.).
Schématické znázornění činnosti tepelného stroje a perpetua mobile 2. druhu.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Každý cyklicky pracující tepelný stroj tedy pracuje podle schématu znázorněného na obrázku. Pracovní látka přijímá od ohřívače teplo Q1 a odevzdává chladiči teplo Q2 (Q2 < Q1), a vykonává práci W = Q1 – Q2. Není tedy možné podle druhého termodynamického zákona sestrojit periodicky pracující tepelný stroj, který by pracoval podle schématu na obrázku vpravo.
Stroj, který by pracoval podle schématu na obrázku vpravo se nazývá perpetuum mobile druhého druhu. Tento stroj by trvale konal práci pouhým ochlazováním ohřívače. Druhého druhu proto, že existují i podobné snahy zkonstruovat stroj v rozporu se zákonem zachování energie a takové konstrukce se nazývají perpetuum mobile prvního druhu.
Je zajímavé, že tento zákon neplatí na 100 %, ale jen s pravděpodobností velmi se blížící ke 100 %. Je to způsobeno těsnou vazbou termodynamiky a pravděpodobnosti náhodných procesů. Čas od času by velmi malé množství tepla mohlo přejít z chladnějšího tělesa na teplejší. Takovým malým výkyvům říkáme fluktuace.
James Clerk Maxwell přišel snad s nejkontroverznějším návrhem, jak porušit II. termodynamický zákon. Představme si nádobku s plynem, která je uprostřed rozdělená přepážkou. V přepážce je malý otvor s vrátky, které otvírá démon. V obou částech nádoby je na počátku experimentu plyn o stejné teplotě. Démon bude dvířky propouštět pouze rychlé molekuly plynu, tzn. že v jedné části nádoby zůstanou pomalé molekuly a v druhé rychlé. Protože teplota plynu závisí na střední rychlosti, bude část s pomalými molekulami chladnější. Takto by se podle Maxwella dalo převádět teplo ze studenějšího tělesa na teplé.
Schématické znázornění Maxwellova démona.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.Fyzikové se dlouho snažili problém Maxwellova démona vysvělit. Nakonec zjistili, že k otvírání a zavírání dvířek je potřeba energie, takže celková entropie systému se s časem nesnižuje – to je v souladu s II. termodynamickým zákonem. David Leigh se k myšlence Maxwellova démona přiblížil experimentálně. Zkonstruoval membránu, která byla schopná oddělit rychlé a pomalé molekuly. Jeho zařízení potřebuje externí zdroj energie. Tak se ani jemu nepodařilo porušit II. termodynamický zákon.
