Le second principe de la thermodynamique a des conséquences importantes sur l’efficacité des machines thermiques. Il stipule qu'un cycle de conversion complet de la chaleur en travail n'est pas possible sans dégradation de l'énergie. Cela signifie qu'aucune machine thermique ne peut être parfaitement efficace. Dans tout cycle thermodynamique, il doit y avoir une perte d'énergie, généralement sous forme de chaleur rejetée, qui ne peut être utilisée pour effectuer du travail. Ce principe implique l'existence incontournable d'un rendement limité pour toutes les machines thermodynamiques. Le rendement est défini par le rapport de la quantité de travail utile produit sur la quantité de chaleur absorbée.

La machine de Carnot est un modèle théorique qui représente une machine parfaite respectant les lois de la thermodynamique. Elle fonctionne entre deux sources de température (une source chaude et une source froide) et réalise un cycle réversible composé de deux transformations isothermes et de deux transformations adiabatiques. Le rendement d'une machine de Carnot ne dépend que des températures des deux sources et est donné par la formule : η = 1 - (T_f/T_c), où T_f est la température de la source froide et T_c celle de la source chaude, exprimées en Kelvin. Ce rendement représente une limite théorique infranchissable pour toute machine réelle.

L’entropie d’un système isolé tend à augmenter au cours du temps, ce qui est une manifestation du second principe de la thermodynamique. Cette augmentation de l'entropie est associée à l'irréversibilité des processus naturels. Lorsqu'un système évolue spontanément, il se dirige vers un état de désordre croissant, ce qui est représenté par une entropie plus élevée. Par exemple, lorsqu'un gaz se diffuse dans une pièce, il se répand de manière à occuper uniformément l’espace disponible, ce qui correspond à un état de plus grand désordre et d’entropie plus élevée. Ce concept sous-tend l'idée que l'écoulement du temps a une direction préférentielle.

Le second principe de la thermodynamique et le concept d’entropie ont des implications importantes dans de nombreux domaines, allant du fonctionnement des machines industrielles à la compréhension des processus naturels tels que le climat et les écosystèmes. Dans l'industrie, ce principe aide à optimiser les cycles thermodynamiques pour améliorer l'efficacité énergétique des centrales électriques et des systèmes de réfrigération. Dans les sciences naturelles, il est essentiel pour expliquer les transformations énergétiques dans la biosphère et pour modéliser les processus climatiques. L’entropie joue également un rôle central dans les théories de l'information et de la complexité, illustrant son importance au-delà de la physique classique.