Thermodynamische waarden worden besproken met betrekking tot een systeem en zijn omgeving. Alles wat geen deel uitmaakt van het systeem, vormt zijn omgeving. Het systeem en de omgeving worden gescheiden door een grens. Als het systeem bijvoorbeeld één mol gas in een container is, dan is de grens gewoon de binnenwand van de container zelf. Alles buiten de grens wordt beschouwd als de omgeving, inclusief de container zelf.
De grens moet duidelijk gedefinieerd zijn, zodat men duidelijk kan zeggen of een bepaald deel van de wereld zich in het systeem of in de omgeving bevindt. Als de materie de grens niet kan passeren, is het systeem gesloten; anders is het open. Een gesloten systeem kan nog steeds energie uitwisselen met de omgeving, tenzij het systeem geïsoleerd is, in welk geval materie noch energie de grens kan passeren.
De eerste wet van de thermodynamica, ook bekend als de wet van behoud van energie, stelt dat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd; energie kan alleen worden overgedragen of veranderd van de ene vorm naar de andere. Als je bijvoorbeeld een lamp aandoet, lijkt het alsof je energie produceert; het is echter elektrische energie die wordt omgezet.
Een manier om de eerste wet van de thermodynamica uit te drukken, is dat elke verandering in de interne energie (∆E) van een systeem wordt gegeven door de som van de warmte (q) die over zijn grenzen stroomt en het werk (w) dat op het systeem wordt gedaan door de omgeving.
∆E = q + w
waarbij q de warmte is die over zijn grenzen stroomt en w het werk is dat door de omgeving aan het systeem wordt gedaan
Deze wet zegt dat er twee soorten processen zijn, warmte en arbeid, die kunnen leiden tot een verandering in de interne energie van een systeem. Aangezien zowel warmte als arbeid kunnen worden gemeten en gekwantificeerd, is dit hetzelfde als zeggen dat elke verandering in de energie van een systeem moet resulteren in een overeenkomstige verandering in de energie van de omgeving buiten het systeem. Met andere woorden, energie kan niet worden gecreëerd of vernietigd. Als warmte een systeem binnenstroomt of de omgeving er wel aan werkt, neemt de interne energie toe en zijn het teken van q en w positief. Omgekeerd zal de warmtestroom uit het systeem of de werkzaamheden van het systeem (op de omgeving) ten koste gaan van de interne energie, en q en w zullen dus negatief zijn.
De tweede wet van de thermodynamica zegt dat de entropie van een geïsoleerd systeem altijd toeneemt. Geïsoleerde systemen evolueren spontaan naar thermisch evenwicht - de toestand van maximale entropie van het systeem. Eenvoudiger gezegd, de entropie van het universum (het ultieme geïsoleerde systeem) neemt alleen maar toe en neemt nooit af.
Een eenvoudige manier om aan de tweede wet van de thermodynamica te denken, is dat een kamer, als deze niet wordt schoongemaakt en opgeruimd, met de tijd onveranderlijk rommeliger en wanordelijker zal worden - ongeacht hoe zorgvuldig men is om hem schoon te houden. Wanneer de kamer wordt schoongemaakt, neemt de entropie af, maar de inspanning om deze te reinigen heeft geresulteerd in een toename van de entropie buiten de kamer die de verloren entropie overschrijdt.
De derde wet van de thermodynamica stelt dat de entropie van een systeem een constante waarde nadert als de temperatuur het absolute nulpunt nadert. De entropie van een systeem op het absolute nulpunt is typisch nul en wordt in alle gevallen alleen bepaald door het aantal verschillende grondtoestanden dat het heeft. In het bijzonder is de entropie van een zuivere kristallijne stof (perfecte volgorde) bij de temperatuur van het absolute nulpunt nul. Deze verklaring geldt als het perfecte kristal slechts één toestand heeft met minimale energie.
