Le tre leggi della termodinamica governano il trasferimento e il comportamento di tutta la materia e l’energia nell’universo come comunemente la scienza la intende. Riassumendo, la prima legge afferma che la quantità di energia e calore in un sistema isolato rimane costante; non può venire da un sistema più energia di quanta ne sia stata immessa. Questo si lega alla Legge di Conservazione dell’Energia che afferma che materia ed energia non possono essere create o distrutte. La seconda legge della termodinamica è uno dei fondamenti più importanti della natura, responsabile della freccia del tempo e dell’irreversibilità della natura.
Non importa quanto ideale possa sembrare un sistema, non esiste un sistema perfetto. Parte dell’energia, elettrica, termica o meccanica, andrà persa per attrito e si convertirà in calore disperso. Ciò significa che nel tempo l’energia totale di un sistema si avvicinerà gradualmente allo zero a meno che non venga aggiunta energia esterna. La quantità di entropia, o disordine, in un sistema si avvicinerà al massimo, il che significa che nessun lavoro utile può essere svolto nel o dal sistema perché le sue molecole e particelle sono troppo disorganizzate. La seconda legge della termodinamica sostiene che i sistemi tendono al disordine partendo da uno stato più ordinato; un cubetto di ghiaccio in un bicchiere d’acqua si scioglierà e riscalderà leggermente l’acqua circostante, mettendo in equilibrio i due sistemi.
La seconda legge della termodinamica prevale sulla prima legge; dove la prima legge sostiene che la produzione di energia non può mai superare l’input di energia, la seconda legge sostiene che l’output di energia non può mai eguagliare l’input di energia a causa della costante perdita di energia e della tendenza dei sistemi ad avvicinarsi all’equilibrio. Meno energia ha un sistema, più entropia è presente perché ci vuole energia per ristabilire l’ordine e diminuire l’entropia totale. Quando l’energia all’interno di un sistema raggiunge un equilibrio, l’entropia è al massimo. Ad esempio, sebbene una tazza di acqua calda si raffreddi naturalmente, è necessaria un’applicazione costante di energia termica per mantenere l’acqua a una temperatura più calda.
I cosmologi guardano alla seconda legge della termodinamica per creare teorie sull’eventuale destino dell’universo. La teoria più comune è che poiché l’universo stesso è un sistema termodinamico isolato, la sua entropia si avvicinerà al massimo quando le stelle si esauriranno e diventeranno buchi neri. Questi alla fine evaporeranno dopo 100 trilioni di anni, lasciando l’universo come un vuoto sterilizzato per il resto dell’eternità, salvo fluttuazioni quantistiche.