Nguyên lý II được rút ra từ thực nghiệm nghiên cứu các quá trình xảy ra trong tự nhiên. Có nhiều cách phát biểu nguyên lý II ở đây ta nêu
hai cách phát biểu điển hình :
* Phát biểu của Clausius : Nhiệt không thể tự động truyền từ vật lạnh sang vật nóng hơn.
Quá trình truyền nhiệt từ vật lạnh sang vật nóng hơn đòi hỏi phải có tác dụng bên ngoài, tức là môi trường xung quanh bị biến đổi. Ta có cách phát biểu khác của Clausius :
Không thể thực hiện được một quá trình mà kết quả duy nhất là truyền năng lượng dưới dạng nhiệt từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn mà không để lại dấu vết gì ở môi trường xung quanh.
* Phát biểu của Thomson : Không thể chế tạo được một máy hoạt động tuần hoàn biến đổi liên tục nhiệt thành công mà không để lại dấu vết gì ở môi trường xung quanh.
Những máy này gọi là động cơ vĩnh cửu loại 2. như vậy phát biểu của Thomson có thể nêu cách khác :
Không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại 2.
Về mặt năng lượng động cơ vĩnh cửu loại 2 không mâu thuẫn với nguyên lý I nhưng diễn biến này không xảy ra trong thực tế.
* Sự tương đương của hai phát biểu : Hai phát biểu trên là tương đương. Ta có thể chứng minh điều này :
Giả sử có động cơ nhiệt lý tưởng : sinh công A bằng cách lấy nhiệt Q1 từ một nguồn có nhiệt độ T2. Lấy công A cấp cho một máy lạnh (thực) hoạt động tải nhiệt lượng Q2 từ nguồn có nhiệt độ T2 này sang nguồn nóng hơn có nhiệt độ T1 . Kết quả nguồn nóng T1 sẽ nhận lượng nhiệt tổng cộng là Q2 + A = Q2 + Q1 . Lượng nhiệt Q2 + Q1 đều lấy từ nguồn lạnh nhiệt độ T2 . Như thế nếu ghép động cơ nhiệt lý tưởng (vi phạm nguyên lý II trong cách phát biểu của Thomson) với một máy lạnh thực tế thành một tổ hợp thì tổ hợp này sẽ trở thành một máy lạnh lý tưởng (vi phạm nguyên lý II trong cách phát biểu của Clansius).
Ta cũng có thể chứng minh bằng cách tương tự được rằng nếu chế tạo được một máy lạnh lý tưởng thì cũng có thể dùng nó để biến một động cơ thực thành một động cơ lý tưởng.
Như vậy, hai cách phát biểu là hoàn toàn tương nhau, thực chất là khẳng định cùng một định luật. Nếu vi phạm cái này, tự khắc sẽ vi phạm cái kia.
§3 Chu trình Carnot và định lý Carnot