영구히 일을 계속할 수 있는 가공(架空)의 동력기관. 에너지의 공급을 받지 않고 일을 계속할 수 있는 기계를 제1종(種) 영구기관이라 하고, 단 하나의 열원(熱源)으로부터 열(량)을 흡수하여 이것을 그대로 일로 계속 바꾸는 기계를 제2종 영구기관이라 한다.

그리고 제1종과 제2종을 합하여 영구기관이라고 한다.

열역학(熱力學)이 확립되기 전에는 이와 같은 영구기관, 특히 제2종 영구기관의 가능성 여부가 여러 모로 논의 · 실험되었으나 결국에는 불가능한 것으로 밝혀졌다.

그러나 중요한 것은 연금술에 대한 수많은 시도가 근대과학으로의 길을 연 것과 마찬가지로 이 영구기관을 만들려는 노력의 축적으로 열역학이 확립되었다는 사실이다.

〔제1종 영구기관〕 열역학에서는 먼저 열의 성질은 역학적 · 전기적 · 자기적 · 화학적 에너지와 마찬가지로 에너지의 한 형태라는 것이 제시된다.

열이 에너지라면 열의 경우도 포함하여 에너지 보전법칙이 성립한다.

이것이 열역학 제1법칙이다.

열역학에서 다루는 에너지는 먼저 물체계가 가지는 내부 에너지이다.

열역학 제1법칙은 하나의 물체계의 내부 에너지는 이 물체계에 외부로부터 가해진 역학적 · 전기적 · 자기적 · 화학적 에너지와 마찬가지로 외부에서 가해진 열같은 양만큼 증대한다는 것을 말해 준다.

따라서 외부에서 에너지의 공급을 받지 않으면 내부 에너지도 증대하지 않고 외부 일은 할 수도 없다.

그리하여 제1종 영구기관은 불가능하다는 것이 열역학 제1법칙에 의해 증명된다.

〔제2종 영구기관〕 열이 관여하는 한 자연계의 법칙은 에너지 보전법칙을 충족시킨다.

뿐만 아니라 열현상이 일반적으로는 비가역적(非可逆的)이라는 조건도 추가된다.

이것이 열역학 제2법칙이다.

예를 들면 얼음과 끓고 있는 물을 섞으면 얼음은 녹고 물 전체는 어느 온도로 떨어지지만 반대로 이 온도의 물이 스스로 얼음과 끓고 있는 물로 분리되지는 않는다.

열역학 제2법칙을 열역학 창시자의 한 사람인 영국의 켈빈(W. 톰슨)은 다음과 같이 표현했다.

「어떤 물질이 열역학적인 순환과정(카르노 사이클)을 거칠 때, 단 하나의 열원에서 열을 흡수하여 그것을 해당량의 일로 바꾸는 열기관은 있을 수 없다」. 동시대에 독일의 R. E. 클라우지우스는 같은 내용을「어떤 다른 변화를 남기지 않고 열은 저온의 물체에서 고온의 물체로 옮겨 갈 수 없다」고 표현했다.

제2법칙을 그렇게 설정하는 것은 바로 제2종 영구기관의 불가능성을 선언한 것이 된다.

우리가 실제로 만들 수 있는 열기관은 흡수한 열의 일부분을 방출하고 그 차이에 해당하는 양의 일을 외부에 하는 것이다.

제1종 영구기관은 에너지 보전법칙에 어긋나기 때문에 불가능하다는 것은 비교적 이해하기 쉽다.

그러나 제2종 영구기관은 에너지 보전법칙에는 모순되지 않는다.

그것이 불가능한 까닭은 열이 물질을 구성하는 아주 많은 분자의 운동의 결과라는 점으로 설명된다.

열역학 제2법칙에 표현된 열현상의 특이한 성질은 미시적 입장에서 생각하면 충분히 이해된다.