热力学第二定律是热力学的四条基本定律之一，表述热力学过程的不可逆性——孤立系统自发地朝着热力学平衡方向──最大熵状态──演化，同样地，第二类永动机永不可能实现。
在热力学中使用温熵图将热力学过程或循环期间的温度变化及比熵可视化。并有助于在过程中将热传递可视化。对于可逆过程， T-s 曲线下的面积是在整个过程期间传递给系统的热量。
热力学循环是一系列传递热量并做功的热力学过程组成的集合，通过压强、温度等状态变量的变化，最终使热力学系统回到初始状态。状态量只依赖于热力学状态，沿热力学循环路径对此类物理量的路径积分结果为零；而像热量和功这样的过程量与循环过程有关，路径积分不为零。热力学第一定律指出在一个循环中输入的净热量总等于输出的净功。过程可重复的特性使得系统能够被连续操作，从而热力学循环是热力学中一个很重要的概念。在实际应用中，热力学循环经常被看作是一个准静态过程并被当作实际热机和热泵的工作模型。
热力学自由能是指一个热力学系统的能量中可以用来对外做功的部分，是热力学态函数。自由能可以作为一个热力学过程能否自发进行的判据。
热力学自由能是指一个热力学系统的能量中可以用来对外做功的部分，是热力学态函数。自由能可以作为一个热力学过程能否自发进行的判据。
等压过程是压强不变的热力学过程：
Δ
p
=
0
{\displaystyle \Delta p=0}
。传递给一个系统的热量，既对它做功，又改变了系统的内能：
等容过程是体积不变的热力学过程。如果使用理想气体，且气体的质量不变，则能量的增加与温度和体积的增加成正比。例如加热密封、坚固容器中的气体：压强和温度会增加，但体积不变。
等温过程是热力学过程的一种，其中系统的温度不变：ΔT = 0。一个系统与外界的热库接触，而过程进行得足够缓慢，使得系统不断通过热交换把温度调整为与热库的温度相同，则这个过程就是等温过程。还有另一种情况，如果系统与外界没有热交换，则称为绝热过程。
在热力学中，可逆过程是指热力学系统的某些属性能够在无能量损失或耗散的情形下通过无穷小的变化实现反转的热力学过程。如果这一过程是一个热力学循环，则这种循环称为可逆循环。由于这些变化都是无穷小的，热力学系统在整个过程中都处于热力学平衡。由于在理论上这种过程所需时间为无穷大，完全理论意义上的可逆过程在实际中是不可能实现的。不过，如果系统对所发生变化的反应速度远远大于变化本身，过程中微小的不可逆性则可以忽略，因而理论上经常把无摩擦的准静态过程看作可逆过程。在可逆循环中，系统和其外界环境在每一次循环结束时都保持完全相同的状态。
在热力学领域中，不可逆过程是相对可逆过程而言的，指的是在时间反演变换下只能单向进行的热力学过程，这种热力学过程所具有的性质被称作不可逆性。从热力学角度而言，自然界中所有复杂的热力学过程都具有宏观上的不可逆性。宏观上不可逆性现象产生的原因在于，当一个热力学系统复杂到足够的程度，组成其系统的分子之间的分子间作用力使系统在不同的热力学态之间演化；而由于大量分子运动的高度随机性，分子和原子的组成结构和排列的变化方式是非常难于预测的。热力学状态的演化过程需要分子之间彼此做功，在做功的过程中也伴随有能量转换以及由分子间摩擦和碰撞引起的一定热量的流失和耗散，这些能量损失是不可复原的。
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