卡诺之后热力学的发展以及热力学第二定律的建立都与汤姆逊有关。这位后来以开尔文勋爵（1892年册封）著称的英国物理学家从小是个神童。他11岁进入格拉斯哥大学学习数学，并发表了他的第一篇数学论文。1841年进入剑桥大学，1845年毕业，1846年便当上了格拉斯哥大学的自然哲学讲席教授。这一年，开尔文开始研究地球年龄问题。他假定，地球是从太阳中分离出来的，起初温度一样，以后慢慢冷却。他估计，要冷却到现在的温度可能需要数百万年（这个数字后来调整成2000万～4000万年）。他还猜想，太阳的能量可能主要来自引力收缩，因此太阳照耀地球的时间也不会超过几亿年。今天我们知道，所有这些年龄值都太小了，原因是，开尔文不知道，地球在冷却过程中，内部还有放射性热源不断释放出热量。太阳的能量并非主要来自引力收缩，而是内部的核反应。
开尔文对地球冷却问题的研究涉及能量耗散问题。在牛顿物理学的框架里，这个问题是无法处理的，因为从根本上讲，牛顿运动方程处理的是一些可逆过程。时间的倒流对牛顿力学而言是完全可能的。可是在我们的现实物理世界中，从未见过时间的倒流现象。打碎的镜子不会自动复原，泼出的水不会自动收回，人不可能越活越年轻，我们只记得过去的事情而不可能记得将来的事情……所有这些非常自然的不可逆过程，却是牛顿力学所不能把握的。虽然牛顿本人并不把宇宙看成一架完美无缺的机器，他相信宇宙之中一定有耗散，因此需要上帝不时地予以修理和干预，可是他的物理理论却客观上表明宇宙是一个完全决定论的机器。
卡诺在研究其理想热机做功的过程中，得出结论说，理想热机是所有实际热机中热效率最大的，而且这个热效率是不可能达到的。尽管热从高温流向低温是一个必然的过程，但由于热机设计得不周到，不可能完全将这个过程利用起来做功。这里，实际上已经包含了热力学第二定律的基本思想：热总是不可避免地要从高温热源流向低温热源，虽然能量总量没有损失，但它却越来越丧失做功能力。
卡诺的工作最先引起开尔文的注意。1848年，开尔文发表《建立在热之动力的卡诺学说基础上和由卡诺的观察结果计算出来的一种绝对温标》一文。文中指出，卡诺已经表明，热机中的热功关系只取决于热量和温度差，但温度差尚没有一个绝对的量度。开尔文根据法国物理学家查理所发现的查理定律，即温度每降低一度，气体的体积就缩小零度时的体积的1/273，得出结论说，在-273℃时，气体的动能为零，因而是真正的零温度。因此，开尔文建立了以-273℃为绝对零度的绝对温标。
1849年，开尔文发表《关于卡诺学说的说明》，指出卡诺关于热机做功并不消耗热的看法是错误的，卡诺理论应该予以修改。1851年，他发表《论热的动力理论》，系统阐述了修改后的热力学理论。文中第一次提出了热力学第一定律和第二定律的概念，其中第二定律是：从单一热源吸取热量使之完全变为有用的功而不产生其他影响是不可能的。这个表述等价于一类永动机的不可能，这种永动机单靠从海水或土地中吸取热量而做功。
与此同时提出热力学第二定律的还有德国物理学家克劳修斯。1850年，他发表《论热的动力与由此可以得出的热学理论的普遍规律》一文，对卡诺的理想热机理论进行了新的修正和发展，提出了著名的克劳修斯等式。等式说，热机从高温热源吸取的热量与该热源温度之比，等于向低温热源所放热量与该热源温度之比。由该等式可以直接推出理想热机的热效率与两热源之温差成正比的结论。为了论证所有实际的热机效率都不可能高于卡诺热机，他引入了另一种形式的热力学第二定律：热量不可能自动地从较冷的物体转移到较热的物体，为了实现这一过程，就必须消耗功。
1854年，克劳修斯又发表《论热的机械理论的第二原理的另一形式》，给出了热力学第二定律的数学表达式。1865年，他发现，一个系统的热含量与其绝对温度之比，在系统孤立（不与外界发生能量交换）之时总是会增大，在理想状态下将保持不变，但在任何情况下都不会减少。克劳修斯将之命名为“熵”。热力学第二定律因而被说成是熵增定律。
熵其实是能量可以转化为有用功的量度。熵越大，则能量转化为有用功的可能性越小。这样，克劳修斯就将热力学的两个定律表述如下：第一定律，宇宙的总能量是守恒不变的；第二定律，宇宙的熵趋向于一个最大值。
热力学第二定律直接导致了所谓“宇宙热寂说”。由于宇宙中的能量转化为有用功的可能性越来越小，宇宙中热量分布的不平衡逐步消失，最后，整个宇宙就将达到热平衡状态。不再有能量形式的变化，不再有多种多样的生命形式，宇宙在热平衡中达到寂静和死亡。
这确实是一种悲观的令人绝望的看法，但现在还没有证据说热力学第二定律不能适用于整个宇宙。新的科学理论正在试图消除宇宙热寂说。
热力学第二定律的历史性突破在于，它突出了物理世界的演化性、方向性和不可逆性，给出了与牛顿宇宙机器图景完全不同的世界演化图景。虽然这个演化是向下的、越来越糟的演化，它与进化论所揭示的生命世界里向上的、越来越高级的演化形成对照，但它们共同发展了“演化”概念，深化了人类对宇宙的认识。“发展”和“演化”的概念越来越成为新自然观的主题。难怪英国著名作家斯诺会说，不了解热力学第二定律与不懂得莎士比亚同样糟糕。
