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热力学第二定律是物理学中最重要的定律之一，它描述了热力学过程的方向性。在自然界中，热量总是自发地从高温物体流向低温物体，这个过程是不可逆的。热力学第二定律揭示了自然界中存在着一个优选的方向，即熵增的方向。
克劳修斯表述是热力学第二定律的经典表述之一。它明确指出，热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。在自然界中，热量总是自发地从高温流向低温。如果要让热量从低温物体流向高温物体，必须有外界对系统做功，这就是制冷机和热泵的工作原理。
开尔文表述是热力学第二定律的另一种等价表述。它指出，不可能从单一热源吸取热量并将其完全转换为功而不产生其他影响。这意味着任何热机都必须在两个不同温度的热源之间工作，热机效率永远小于1。热机从高温热源吸取热量Q1，对外做功W，同时必须向低温热源放出热量Q2。
熵是热力学中的重要概念，它描述了系统的无序程度。熵增原理表明，孤立系统的熵永不减少，即dS大于等于0。玻尔兹曼公式S等于k乘以ln Ω，将熵与微观状态数联系起来。在自然界中，系统总是自发地从有序状态向无序状态转变，这就是熵增的过程。
卡诺循环是理想的可逆热力学循环，由四个过程组成。首先是等温膨胀过程，系统从高温热源吸热；然后是绝热膨胀，温度降低；接着是等温压缩，向低温热源放热；最后是绝热压缩，温度回升。卡诺热机的效率公式为η等于1减去T2除以T1，这是所有热机效率的理论上限。