在制冷系統中，能量的相互轉移與轉換需要通過制冷劑吸熱或放熱、膨脹或壓縮等變化來完成，因此制冷的理論基礎就是研究能從相互轉換過程中所應遵循的科學規律，即熱力學。熱力學是從宏觀角度研究物質的熱運動性質及其規津的學科，主要是從能量轉化的觀點來研究物質的熱性質，它揭示了能量從一種形式轉換為另一種形式時遵從的宏觀規律，總結了物質的宏觀現象而得到的熱力學理論，它研究系統在整體上表現出來的熱現象及其變化發展所必須遵循的基本規律，其主要內容為熱力學第一定律和熱力學第二定律。

熱力學第一定律是普遍的能量守恒和轉化定律在一切涉及宏觀熱現象過程中的具體表現。熱力學第一定律確認，在任何發生能量轉換的熱力過程中，轉換前后能量的總量維持恒定，即制冷系統從周圍介質吸收的熱量、對工作介質所做的功和系統內能增量之間在數量上守恒。熱力學第一定律僅指出能量轉換在數量上的關系，然而遵循熱力學第一定律的過程卻未必能實現，還需同時遵循熱力學第二定律，熱力學第二定律揭示了能從交換和轉換的條件、深度和方向。

熱力學第二定律是限定實際熱力學過程發生方向的熱力學規律。它證實熵增原理成立，也就是說，熱力學第二定律要求孤立系統中發生的過程沿著熵增加的方向進行，即達到平衡態的熱力學系統的熵最大。熱力學第一定律和熱力學第二定律一起，構成了熱力學理論的基礎，它闡述了熱量傳遞是不可逆的，熱量總是自發地從高溫物體傳遞到低溫物體。而相反的過程是不可能自發地進行的，即不可能把熱量從低溫物體傳遞到高溫物體而不產生其他影響。所以。熱力學第一定律告訴我們熱最是可以轉移的，熱力學第二定律告訴我們熱量在什么條件下可以朝著什么方向轉移。并且，由熱力學第二定律引出的卡諾定理指出了提高制冷機經濟性的方向和限度。