熱機的構想
熱機是任何藉由讓工作物質繞行一個循環、把熱轉成有用功的裝置。從蒸汽渦輪到汽車引擎，每一具都做同樣三件事：從高溫熱庫汲取熱 Q_H，把其中一部分轉成功 W，再把剩下的熱 Q_C 傾倒進低溫熱庫。熱庫不過就是任何大到足以給出或吸收熱卻不改變溫度的東西——一座熔爐、大氣、一條河。
把第一定律用於一個完整循環（ΔU = 0）：輸出的有用功，就是從高溫熱庫吸入的熱減去傾倒給低溫熱庫的熱。
效率：你能拿回多少？
熱效率 \eta 回答工程師唯一真正在乎的問題：在你花錢買來的昂貴熱量中，有多少比例以功的形式回來了？這就是你會寫在規格書上的效率，永遠是介於 0 與 1 之間的數。
效率是輸出的功除以輸入的熱。等價地，它是 1 減去被浪費到低溫熱庫的熱之比例。
計算範例。一具引擎每個循環從高溫熱庫吸收 2000 J，向低溫熱庫排放 1500 J。那麼輸出的功為 W = 2000 - 1500 = 500\text{ J}，效率為
只有四分之一的熱變成了功；另外四分之三被當作廢熱倒掉。典型的汽車引擎也只能做到約 25–35%。
陷阱所在：第二定律
為什麼不乾脆造一具 Q_C = 0 的引擎——把所有的熱都變成功、毫無浪費？效率就會是 100%。但所有做過的實驗都說：你辦不到，而這個「辦不到」正是熱力學第二定律的一張面孔。用克耳文–普朗克的說法：沒有任何循環引擎，能從單一熱庫取熱並將它完全轉成功。總得有一個更冷的地方來傾倒廢熱。
反著跑：冰箱與熱泵
把引擎的循環反過來描，熱就往「錯」的方向流——由冷到熱——但前提是你要用功來買單。那就是冰箱：功 W 進去，熱 Q_C 被從冷藏室內部抽出，Q_H = Q_C + W 被傾倒進它背後溫暖的房間。第二定律的克勞修斯說法點出你為何必須付費：熱永遠不會自發地從較冷的物體流向較熱的物體。
熱泵是完全相同的機器，只是看它另一端的產出：你在乎的不是抽出的冷，而是它送進溫暖屋內的熱 Q_H。我們用性能係數（COP）來評比它們——得到的好處除以你付出的功——這個值往往大於 1，因為你是在搬運熱，而不是製造熱。
冰箱的 COP 計數每單位功所移除的熱；熱泵的 COP 計數所送出的熱——而後者永遠恰好多 1，因為那份功本身最終也化為熱進入溫暖的一側。