Ezeket a törvényszerűségeket a termodinamika I. és a II. főtételében fogalmazták meg.

Az I. főtétel megértéséhez emeljünk ki három fogalmat, melyeknek összefüggéséről szól maga a tétel!

Belső energia: az anyagot alkotó részecskék mozgásából származó energiakészlet.                          Jele: U

Hő: két különböző hőmérsékletű rendszer között átadódó energiamennyiség.                                    Jele: Q

Munka: az energiaátadás egyik formája, a legegyszerűbben megfogalmazva az erőhatás és az erőhatás következtében történő elmozdulás szorzata.                                                                                                        Jele: W

A termodinamika I. főtétele: A rendszer által felvett hőmennyiség és a rendszer által kifejtett külső munka összege egyenlő a belső energia megváltozásának mértékével. Ez hétköznapibb szavakkal kifejezve azt is jelenti, hogy nem lehet olyan gépet szerkeszteni, ami energia felhasználása nélkül folyamatosan munkát végezne.

A természetben végbemenő folyamatok megfigyelése alapján könnyen arra a következtetésre juthatunk, hogy a termodinamikai folyamatok önmaguktól mindig csak egy irányba játszódnak le. Ez természetesen nem jelenti azt, hogy ténylegesen visszafordíthatatlanok, mindössze annyit jelent, hogy a megfordításukhoz külső munkavégzés szükséges.

A termodinamika II. főtétele kimondja azt, amit saját tapasztalataink is mutatnak, hogy a hő energiabefektetés nélkül magasabb hőmérsékletű testről az alacsonyabb hőmérsékletű felé áramlik. Ha ellenkező irányba szeretnénk vándoroltatni, munkát kell végeznünk, energiát kell befektetnünk. Az I. főtétel korábbi megfogalmazását újra felidézve azt mondhatjuk, hogy olyan gép sem készíthető, ami periodikusan működve munkát végezne csupán a környezetének termikus energiáját felhasználva.

A spontán lejátszódó termodinamikai folyamatok jellemzője, hogy a rendszerben kiegyenlítődési folyamatok játszódnak le (például hőmérséklet, nyomás kiegyenlítődése), a folyamat egyre lassul, a rendszer pedig közeledik az egyensúlyi állapothoz. Ha azt akarjuk, hogy a folyamat újra kezdődjön, energiát kell befektetnünk és létre kell hoznunk egy körfolyamatot.

A termodinamikai körfolyamat olyan állapotváltozások sora, melyeknél a rendszer újra és újra visszatér eredeti állapotába. A ciklus végén az állapotjelzők eredeti értéküket veszik fel újra, ennek ismétlődése lehetővé teszi a folyamatos működést. A folyamat során a munkaközeg állapotát változtatjuk mesterséges feltételek kialakításával.