熱力學第二定律與理想制冷循環
在人工制冷中，不僅有熱量的轉移，也包括熱功轉換的過程。熱力學*定律僅指出了熱功轉換在數量上的關系。熱力學第二定律提示了熱功轉換和熱量傳遞的條件、深度和方向。克勞休斯（Clausius）指出：“不可能把熱從低溫物體傳至高溫物體而不發生變化”，這就是說，熱量能自發地從高溫物體傳向低溫物體，不能自發地從低溫物體傳向高溫物體。這一敘述進一步說明了熱量傳遞的方向性。熱量由低溫物體傳向高溫物體，必須有一個補償過程。人工制冷的過程就是在外界的補償下，將低溫物體的熱量向高溫物體傳送的過程。目前使用的補償過程的方法有兩種：一種是消耗功（機械能或電能）來提高制冷劑的壓力和溫度，使制冷劑將自低溫物體（低溫熱源）吸取的熱量，連同機械功轉換成的熱量，一同排至環境介質（高溫熱源）中，從而完成了熱量從低溫傳向高溫的過程；另一種是消耗高溫的熱能，用熱量由高溫傳向低溫的自發過程作為補償，來實現將低溫物體的熱量傳送到高溫物體的過程。總之，在人工制冷中，需要消耗一定的能量（機械能或熱能）作為補償。
為了連續地實現熱量的轉移和熱功轉換，就必須使工質經過一系列的狀態變化完成循環。隨著效果的不同，循環可分為正向與逆向兩種。利用工質的狀態變化，將熱能轉化為機械能的循環叫做正向循環。正向循環在熱力圖上依順時針方向進行。通過工質進行的狀態變化，使熱量從低溫物體（冷源）傳給高溫物體（熱源）的循環叫做逆向循環。它在熱力圖上是依逆時針方向進行的。
可利用逆向循環實現制冷。在這種循環中，利用工質膨脹到較低的溫度來從低溫物體吸取熱量。為了實現連續的制冷過程，工質必須進行排熱過程，以便回復到原來狀態，重新對冷源吸熱。和正向循環一樣，逆向循環也必須遵循熱力學第二定律。工質在完成逆向循環過程中，除了冷源（低溫物體）外，還需要一個向其排熱的熱源（高溫熱源）。這同利用單一熱源是無法實現循環過程的結論是一致的。在制冷的逆向循環中，通常以環境介質（水、空氣等）作為高溫熱源。
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