Aby czerpać energię termiczną z układu, trzeba dysponować czymś zimniejszym niż ten układ.
Energia swobodna Helmholtza Energia swobodna Helmholtza jest funkcją stanu odpowiadającą tej części energii wewnętrznej, która może być w danym procesie uwolniona na zewnątrz układu w formie pracy lub ciepła przy stałej temperaturze i objętości. W pierwszej zasadzie termodynamiki możemy zastąpić zmianę ciepła przez
Mając na uwadze drugą zasadę otrzymujemy:
Dlatego praca maksymalna jest zawsze większa lub równa energii swobodnej Helmholtza. Innymi słowy, pewnej ilości energii wewnętrznej nigdy nie można całkowicie zamienić na pracę, część jest zawsze tracona z powodu wzrostu entropii.
Ostatnią nierówność można przekształcić do postaci:
To wyrażenie przyjmuje maksymalną wartość, gdy przemiana jest odwracalna. W przypadku przemian nieodwracalnych:
co w sumie można zapisać: