Процеси, що відбуваються в природі з макроскопічними тілами, необоротні. Типові необоротні процеси такі: теплота самовільно переходить від гарячого тіла до холодного, але не навпаки; механічна енергія самовільно переходить у внутрішню.

У результаті узагальнення дослідних даних, що стосуються необоротних процесів, сформульовано другий принцип термодинаміки: в тепловій машині, яка діє циклічно, неможливий процес, єдиним результатом якого було б перетворення в механічну роботу всієї кількості теплоти, одержаної від джерела енергії — нагрівника.

Із законів термодинаміки випливає, що теплові двигуни можуть виконувати роботу тільки в процесі передавання теплоти від нагрівника до холодильника. Максимально можливе значення коефіцієнта корисної дії теплового двигуна:

де Т₁ — температура нагрівника, Т₂ — температура холодильника.

Підвищення ККД теплових двигунів, наближення його до максимально можливого — найважливіше технічне завдання.