L'application de la deuxième loi de la thermo-dynamique explique les diverses façons dont les moteurs transforment la chaleur en travail mécanique, comme par exemple dans le moteur à essence d'une voiture ou dans une turbine à vapeur.

Les mesures de rendement basées sur la deuxième loi de la thermodynamique prennent en compte la qualité de l'énergie - contrairement au rendement basé sur la première loi de la thermodynamique qui tient seulement compte de la quantité d'énergie. La première loi de la thermodynamique indique que l'énergie est conservée même quand elle change de forme, comme par exemple, d'énergie mécanique en chaleur. Au contraire, la deuxième loi de la thermodynamique nous permet de savoir comment un système énergétique fonctionne en ce qui concerne la qualité de l'énergie. En 1842, un physicien français, Nicholas Léonard Sade Carnot, a décrit le moteur (idéal) le plus efficace pour transformer la chaleur en travail mécanique. Ce rendement théorique maximal, appelé le rendement de Carnot permet de comparer comment, dans la pratique, un système quelconque utilisant de l'énergie fonctionne par rapport à son rendement théorique maximum. La température à laquelle l'énergie est disponible est une bonne mesure de sa qualitéplus la température de l'énergie est élevée plus, théoriquement de travail mécanique peut en être extrait. Par exemple, un kilo de vapeur à 1 000 C produira plus d'énergie mécanique que de la vapeur à 500 degrees C dans les mêmes conditions (comme de pression). De l'énergie à 20 C crée un environnement confortable, mais est pratiquement inutile pour produire du travail mécanique dans des situations de tous les jours.

Prenons le cas d'un système de chauffage au gaz naturel qui fournit de l'air chaud pour chauffer un immeuble. (Cet exemple pourrait aussi s'appliquer à des systèmes qui fournissent de l'eau chaude pour le chauffage. Un système typique de chauffage au gaz naturel dégrade la chaleur depuis des températures dépassant les 1 000 degrees C jusqu'à environ 50 C. Ainsi, alors que la presque totalité de la quantité d'énergie contenue dans le gaz naturel a été transférée à l'air pour chauffer le bâtiment, la capacité du gaz naturel à fournir du travail a été presque entièrement gaspillée. Donc, une chaudière typique au gaz naturel pour le chauffage domestique a un haut rendement selon la première loi de la thermodynamique, souvent autour de 85, 90 pour cent, mais un piètre rendement selon deuxième loi de la thermodynamique, de seulement quelques pour cent (en fonction de la température extérieure). L'évaluation de ce système, selon la seconde loi de la thermodynamique, nous permet de voir que la contribution initiale du gaz naturel pourrait être utilisée plus efficacement et pour un bénéfice plus grand si sa chaleur n'était pas gaspillée. Par exemple, le gaz naturel pourrait être utilisé comme source d'hydrogène pour des piles à combustible pour générer de l'électricité avec un rendement de 60 pour cent (deuxième loi). L'électricité pourrait être alors utilisée pour "pomper" la chaleur de l'air froid du dehors pour l'amener à la température ambiante désirée. (Une pompe à chaleur utilise l'énergie électrique pour pomper l'énergie présente dans l'air ou le sol du dehors pour l'amener à la température ambiante et la transférer au bâtiment.) On peut aussi se représenter ce système comme une climatisation inversée qui souffle l'air chaud dans un bâtiment plutôt que le l'évacuer. Dans les climats modérés le rendement de l'utilisation du gaz naturel pourrait être quadruplé au minimum. Dans les climats froids, la chaleur du sol (celui ci étant plus chaud que l'air) pourrait être amené à la température ambiante, grâce à des améliorations semblables du rendement. L'utilisation des moteurs à gaz pour produire de l'électricité et la chaleur perdue du chauffage et du refroidissement (la cogénération) peuvent fournir des hausses de rendement similaires. De meilleurs rendements pourraient être obtenus grâce à des échangeurs de chaleur (des systèmes qui utilisent l'énergie d'un milieu plus chaud pour réchauffer un milieu plus froid, tel une chaudière qui transfère l'énergie d'un gaz chaud à l'eau froide) plus performants que ceux trouvés actuellement dans le commerce. Théoriquement, le rendement de l'utilisation du combustible pour le chauffage des bâtiments pourrait augmenter de dix à quinze fois par rapport à un système typique en usage aujourd'hui aux Etats-Unis.

Il y a, bien sur, des problèmes pratiques associés à l'utilisation de la cogénération , si bien que son utilisation n'est pas toujours rentable. Par exemple, les applications pratiques dépendraient de facteurs tels que la quantité de chaleur, d'eau chaude, de climatisation et d'électricité nécessaires, suivant que le système de production d'électricité peut être rattaché à un réseau, et le coût de générateurs de petite taille. Néanmoins, depuis les deux dernières décennies, de nouvelles technologies ont évolué pouvant permettre le déploiement d'une utilisation de la cogénération beaucoup plus rentable que celle actuellement en existence.

Les affirmations selon lesquelles l'augmentation de l'utilisation de l'énergiec'est-à-dire l'utilisation des combustibles primairesserait le seul moyen d'augmenter les services que l'énergie fournit ne sont pas basées sur un examen détaillé du vaste potentiel d'amélioration du rendement de l'énergie, même dans les pays industrialisés soi-disant "avancés". D'après le critère de la deuxième loi de la thermodynamique, le système énergétique mondial est très inefficace. Donc, de grands accroissements dans les services que l'énergie fournit, comme le chauffage, la climatisation, ou l'éclairage, sont possibles même avec une utilisation finale constante ou même réduite.

1. En pratique, tous les matériaux contiennent une certaine quantité d'énergie thermique. Même l'air frigide ou la glace ont une quantité considérable d'énergie. L'énergie thermale zéroc'est-à-dire quand les atomes et les molécules ne possèdent plus de motionaléatoire est seulement obtenue à une température connue so us le nom de zéro absolu est égale à environ -273 ^oC. Il n'existe aucun mécanisme pratique qui permette d'atteindre cette température.