Carnot' tsükkel ja soojusmasinad

Soojusmasin võtab kõrgel temperatuuril vastu soojust, muundab osa sellest tööks ja väljutab ülejäänu madalal temperatuuril. Ilmne insenerlik küsimus on, kui väikeseks saab selle väljutatava osa teha. Carnot' vastus, milleni jõuti enne, kui keegi oli teise seaduse kirja pannud, on see, et sellel on kindel alampiir, mille määravad ainult kaks temperatuuri: kasutegur on parimal juhul 1 − T_külm/T_kuum, kus temperatuurid on kelvinites.

Ülioluline on see, mis laadi piirang see on. Tegu ei ole väitega hõõrdumise, turbulentsi või puuduliku isolatsiooni kohta, mis kõik on tõelised ja mis kõik suruvad praktilise masina laest veelgi allapoole. Isegi täiesti hõõrdevaba ja täiuslikult isoleeritud masin ei suuda seda ületada. Põhjus on entroopia: soojuse Q võtmine kuumast allikast vähendab selle entroopiat suuruse Q/T_kuum võrra ja ainus viis arveid tasakaalustada on ladestada entroopia kuhugi jahedamasse. Väljutatav soojus ei ole raiskamine konstruktsiooniveana — see on makse, mida teine seadus nõuab.

Sellest tuleneb kaks järeldust. Kasutegur sõltub temperatuuride suhtest, nii et külma poole alandamine aitab täpselt sama palju kui kuuma poole tõstmine; just seepärast hoolivad elektrijaamad oma jahutusveest. Ja tegelik masin, mis Carnot' piiri saavutaks, peaks töötama lõpmata aeglaselt, läbides pöörduvate sammude jada, ega annaks üldse võimsust. Praktiline konstrueerimine on seetõttu alati kompromiss kasuteguri ja väljundi vahel, mitte puuduva saja protsendi otsimine.