Тепловой цикл холодильника основан на преобразовании тепла из холодного резервуара (например, внутреннего помещения холодильника) в горячий резервуар (например, окружающую среду) с помощью работы, выполненной холодильным агрегатом (например, компрессором).

Согласно второму закону термодинамики, невозможно создать тепловую машину, которая бы полностью преобразовывала тепло в работу, не приводя к некоторым потерям тепла. В контексте холодильников это означает, что всегда необходимо выполнять работу для перемещения тепла из области с низкой температурой в область с высокой.

Коэффициент полезного действия (КПД), определяемый для холодильников, чаще всего рассматривается в виде коэффициента производительности (COP, coefficient of performance), который рассчитывается как отношение тепла, отведенного от холодного резервуара (Q_c), к работе, затраченной на этом процессе (W):

[ \text{COP} = \frac{Q_c}{W} ]

Теперь, согласно второму закону термодинамики, существует предел, накладываемый на значение этого коэффициента. Для идеального холодильника, работающего по циклу Карно, можно определить максимальное значение COP. Оно выражается следующим образом:

[ \text{COP}_{\text{макс}} = \frac{T_c}{T_h - T_c} ]

где ( T_c ) — абсолютная температура холодного резервуара (в Кельвине), а ( T_h ) — абсолютная температура горячего резервуара. Это указывает на следующие ограничения:

Температурное различие: Чем больше температура ( T_h ) и меньше температура ( T_c ), тем выше может быть COP. Однако в реальных системах часто существует минимальное температурное значение, что ограничивает доступные диапазоны работы.

Невозможность достижения идеала: Реальные холодильники работают менее эффективно по сравнению с идеальными, поскольку в них происходит неучтенные потери, трение, утечки и теплообмен с окружающей средой.

Требование работы: Для перемещения тепла необходимо затратить работу, что невозможно избежать, и ею будет являться энергия, передаваемая в систему.

Таким образом, второй закон термодинамики накладывает ограничения на максимальный коэффициент полезного действия холодильника, устанавливая предельные значения COP и определяя, что для эффективной работы холодильных машин необходимо учитывать тепловые потери и температуру окружающей среды.