I principio

Il primo principio della termodinamica è un’estensione del principio di conservazione dell’energia ai sistemi termodinamici. Esso:
1) stabilisce la conservazione dell’energia;
2) fissa l’equivalenza delle varie forme della energia, in particolare tra calore e lavoro.

Le 3 grandezze dei sistemi termodinamici implicate nella conservazione della energia (equazione di bilancio energetico) sono: Calore, Lavoro ed Energia interna. Se si dà calore a un sistema, in generale parte di esso va in lavoro e parte in energia interna, ma niente si perde.

Il primo principio della termodinamica, valido per qualsiasi sistema, non vieta la conversione completa di una quantità di calore, disponibile a una certa temperatura, in lavoro, né il passaggio spontaneo di calore da corpi a temperatura più bassa a corpi a temperatura più elevata. Esso non si pronuncia sulla reale possibilità che una trasformazione possa avvenire. Ma la realtà ha inceve delle "regole"...

II principio

Il secondo principio della termodinamica fissa delle impossibilità (§):

§ Il calore passa spontaneamente da un corpo più caldo a uno più freddo; il passaggio contrario non è mai spontaneo (del resto la spina del frigorifero va attaccata alla presa di corrente e questo si traduce nella spesa di lavoro).

§ Il calore non può essere trasformato completamente in lavoro meccanico. Il calore non trasformato in lavoro viene rilasciato nell’ambiente, per esempio in atmosfera sotto forma di gas di scarico e fumi. Sono sprechi a bassa temperatura inevitabili, perché dovuti al II principio. Una locomotiva a vapore "deve" sbuffare per rilasciare del calore all'ambiente, quello non trasformabile in energia meccanica.

Prima ancora di considerare gli effetti dissipativi (attrito, resistenza elettrica …) alcune forme di energia si possono trasformare integralmente una nell’altra, il calore invece no. Questo fatto rientra in una più vasta tendenza dei processi a evolvere verso il livellamento, la degradazione e il disordine. Da queste considerazioni emerge come il secondo principio della termodinamica fissi la non equivalenza delle varie forme di energia ai fini di ottenere lavoro meccanico. In altre parole, accanto all’equivalenza dal punto di vista della misura fra calore e lavoro (I principio), il II principio ne stabilisce una non equivalenza operativa.

III principio

Il terzo principio della termodinamica (teorema di Nernst) è una conseguenza del II principio e afferma che è impossibile raggiungere la temperatura dello zero assoluto (zero K, cioè -273,15 ºC). Gli scienziati sono giunti (2005) molto vicini allo zero assoluto, circa 450 pK (pico kelvin = 4,5x10-10 K), ma non si potrà mai arrivare a 0 K.