在制冷系统中，能量的相互转移与转换需要通过制冷剂吸热或放热、膨胀或压缩等变化来完成，因此制冷的理论基础就是研究能从相互转换过程中所应遵循的科学规律，即热力学。热力学是从宏观角度研究物质的热运动性质及其规津的学科，主要是从能量转化的观点来研究物质的热性质，它揭示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律，总结了物质的宏观现象而得到的热力学理论，它研究系统在整体上表现出来的热现象及其变化发展所必须遵循的基本规律，其主要内容为热力学第一定律和热力学第二定律。
热力学第一定律是普遍的能量守恒和转化定律在一切涉及宏观热现象过程中的具体表现。热力学第一定律确认，在任何发生能量转换的热力过程中，转换前后能量的总量维持恒定，即制冷系统从周围介质吸收的热量、对工作介质所做的功和系统内能增量之间在数量上守恒。热力学第一定律仅指出能量转换在数量上的关系，然而遵循热力学第一定律的过程却未必能实现，还需同时遵循热力学第二定律，热力学第二定律揭示了能从交换和转换的条件、深度和方向。
热力学第二定律是限定实际热力学过程发生方向的热力学规律。它证实熵增原理成立，也就是说，热力学第二定律要求孤立系统中发生的过程沿着熵增加的方向进行，即达到平衡态的热力学系统的熵最大。热力学第一定律和热力学第二定律一起，构成了热力学理论的基础，它阐述了热量传递是不可逆的，热量总是自发地从高温物体传递到低温物体。而相反的过程是不可能自发地进行的，即不可能把热量从低温物体传递到高温物体而不产生其他影响。所以。热力学第一定律告诉我们热最是可以转移的，热力学第二定律告诉我们热量在什么条件下可以朝着什么方向转移。并且，由热力学第二定律引出的卡诺定理指出了提高制冷机经济性的方向和限度。
