Los valores termodinámicos se discuten en referencia a un sistema y sus alrededores. Todo lo que no es parte del sistema constituye su entorno. El sistema y los alrededores están separados por un límite. Por ejemplo, si el sistema es un mol de gas en un contenedor, entonces el límite es simplemente la pared interna del contenedor. Todo lo que está fuera del límite se considera el entorno, lo que incluiría el contenedor en sí.
El límite debe estar claramente definido, por lo que uno puede decir claramente si una parte determinada del mundo está en el sistema o en los alrededores. Si el asunto no puede pasar a través del límite, se dice que el sistema está cerrado; de lo contrario, está abierto. Un sistema cerrado aún puede intercambiar energía con el entorno a menos que el sistema esté aislado, en cuyo caso ni la materia ni la energía pueden pasar a través del límite.
La primera ley de la termodinámica, también conocida como la Ley de Conservación de la Energía, establece que la energía no se puede crear ni destruir; La energía solo se puede transferir o cambiar de una forma a otra. Por ejemplo, encender una luz parecería producir energía; Sin embargo, es la energía eléctrica que se convierte.
Una forma de expresar la primera ley de la termodinámica es que cualquier cambio en la energía interna (∆E) de un sistema está dado por la suma del calor (q) que fluye a través de sus límites y el trabajo (w) realizado en el sistema por los alrededores
∆E = q + w
donde q es el calor que fluye a través de sus límites y w es el trabajo realizado en el sistema por los alrededores
Esta ley dice que hay dos tipos de procesos, calor y trabajo, que pueden conducir a un cambio en la energía interna de un sistema. Dado que tanto el calor como el trabajo pueden medirse y cuantificarse, esto es lo mismo que decir que cualquier cambio en la energía de un sistema debe dar como resultado un cambio correspondiente en la energía de los alrededores fuera del sistema. En otras palabras, la energía no puede ser creada o destruida. Si el calor fluye hacia un sistema o los alrededores sí funcionan, la energía interna aumenta y el signo de q y w es positivo. Por el contrario, el flujo de calor fuera del sistema o el trabajo realizado por el sistema (en los alrededores) será a expensas de la energía interna y, por lo tanto, q y w serán negativos.
La segunda ley de la termodinámica dice que la entropía de un sistema aislado siempre aumenta. Los sistemas aislados evolucionan espontáneamente hacia el equilibrio térmico, el estado de máxima entropía del sistema. En pocas palabras, la entropía del universo (el último sistema aislado) solo aumenta y nunca disminuye.
Una manera simple de pensar en la segunda ley de la termodinámica es que una habitación, si no se limpia y se arregla, invariablemente se volverá más desordenada y desordenada con el tiempo, independientemente de cuán cuidadoso sea mantenerla limpia. Cuando se limpia la habitación, su entropía disminuye, pero el esfuerzo por limpiarla ha resultado en un aumento de la entropía fuera de la habitación que excede la entropía perdida.
La tercera ley de la termodinámica establece que la entropía de un sistema se aproxima a un valor constante a medida que la temperatura se aproxima al cero absoluto. La entropía de un sistema en cero absoluto es típicamente cero, y en todos los casos está determinada solo por el número de diferentes estados fundamentales que tiene. Específicamente, la entropía de una sustancia cristalina pura (orden perfecto) a temperatura cero absoluta es cero. Esta afirmación es cierta si el cristal perfecto tiene solo un estado con energía mínima.
