Il problema nasce nell’epoca della rivoluzione industriale:

Qual’è la quantità massima di lavoro che si può ottenere da una motrice a vapore data una certa quantità di combustibile?
Da quali parametri dipende questo limite?

Citando Sadi Carnot, vengono fornite alcune risposte:

• La produzione di potenza meccanica nel motore a vapore non è dovuta al consumo di calorico ma dal suo trasporto da un corpo caldo ad uno freddo. (questa è l’analogia idraulica di Carnot, che risulta essere errata)
• Se esiste una differenza di temperatura può essere prodotta potenza meccanica.
• La potenza meccanica ottenibile dal calorico è indipendente dal fluido di lavoro usato, dipendendo soltanto dalle temperature dei corpi tra i quali il calorico è trasferito.

Carnot intuisce il concetto di degradazione dell’energia: se il calore passa direttamente dalla sorgente calda a quella fredda, viene persa la possibilità di ottenere il lavoro che una motrice a vapore avrebbe potuto sviluppare.

Tuttavia, l’analogia idraulica è errata. Egli considera il “calorico” come un fluido che scorre da una sorgente calda verso una fredda, in analogia ad un flusso d’acqua che passando da un bacino ad altezza maggiore di un altro può produrre lavoro se viene interposto nel flusso una turbina.
Con questa analogia, il calorico sottratto alla sorgente calda, quindi, si ritrova completamente nella sorgente fredda.
Bisognerà aspettare un po’ di tempo prima che il principio di conservazione dell’energia venga formulato (grazie agli esperimenti di Joule) e si arrivi a comprende che in realtà è parte del calore che fluisce dalla sorgente calda a trasformarsi in lavoro meccanico.

Carnot pone le basi della seconda legge della termodinamica, in anticipo rispetto alla scoperta della prima legge della termodinamica.

Successivamente Rudolf Clausius affermò che la termodinamica è basata su due principi distinti. Inoltre egli conia il termine “entropia” che è una grandezza tale che per un processo reversibile, il suo differenziale è espresso da:
\[  dS=\frac{\partial Q}{T} \]

inoltre affermava lapidariamente:

• L’energia dell’universo è costante
• L’entropia dell’universo tende ad un massimo

Si vedano: Definizione di sistema e ambiente, sistema chiuso, sistema aperto, massa di controllo, volume di controllo.