Работа всех тепловых двигателей основана на том, что механическая работы осуществляется за счет тепловой энергии.
Теплота переходит из области с высокой температурой в область с низкой температурой, и часть тепловой энергии может быть преобразована в механическую работу.
В тепловых двигателях используется прямой цикл. От термостата (термодинамическая система, которая может обмениваться теплотой с телами без изменения температуры) с более высокой температурой T1, названного нагревателем, за цикл отнимается количество теплоты Q1, а термостату с более низкой температурой T2, названном холодильником, за цикл передается количество теплоты Q2, при этом осуществляется работа А = Q1 - Q2. Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называют отношение работы А, совершенной двигателем за цикл, к количеству теплоты Q1 полученной от нагревателя. Чтобы КПД теплового двигателя равен единице, необходимо выполнение равенства Q2 = 0, т.е. тепловой двигатель должен иметь один источник теплоты, невозможно. Французский физик С. Карно показал, что для работы теплового двигателя необходимо не менее двух источников теплоты с различными температурами, иначе это противоречило бы второму закону термодинамики.
В холодильной машине используется процесс, обратный тому, что происходит в тепловом двигателе (используется обратный цикл). За цикл системой от термостата с более низкой температурой T2 вычитается количество теплоты Q2 и отдается термостату с высокой температурой T1 количество теплоты Q1. Таким образом, без совершения работы нельзя отбирать теплоту от менее нагретого тела и отдавать ее более нагретому. Это утверждение есть не что иное, как второй закон термодинамики в формулировке Клаузиуса. Второй закон термодинамики не запрещает совсем переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. Именно такой переход осуществляется в холодильной машине. Но при этом следует помнить, что внешние силы совершают работу над системой, то этот переход не является единственным результатом процесса.
Эффективность работы холодильной машины характеризуют холодильным коэффициентом, определяемым отношением того количества теплоты Q2, отняла от термостата с более низкой температурой к работе А ', которая расходуется на приведение холодильной машины в действие.