根据热力学第二定律，热量不能自发地从较冷的位置流向较热的区域；要做到这一点还需要做功。[3] 空调需要做功来冷却生活空间，将热量从较冷的室内 (热源) 转移到较温暖的室外 (散热器)。类似地，冰箱将热量从冷冰箱 (热源) 内部转移到厨房较温暖的室温空气中(散热器)。制冷循环的工作原理在1824年被萨迪·卡诺数学化地描述为热机。热泵可以被认为是反向运行的热力发动机。
热泵和制冷循环可以被分为蒸汽压缩、蒸汽吸收、气体循环或斯特林循环这几种类型。
蒸汽压缩循环用于大多数家用冰箱以及许多大型商业和工业制冷系统中。图1提供了典型的蒸汽压缩制冷系统部件的示意图。
如图2所示，热力学循环系统可以用图表来分析。[4][5] 在这个循环中，通常称为制冷剂(如氟利昂)的循环工作流体会以蒸汽的形式进入压缩机。蒸汽以恒定熵压缩，并以过热状态离开压缩机。过热的蒸汽流通过冷凝器，冷凝器首先冷却并去除过热，然后通过在恒定压力和温度下去除额外的热量将蒸汽冷凝成液体。液态制冷剂流经膨胀阀(也称为节流阀)时，其压力将骤降，通常情况下，将导致不到一半的液体发生闪蒸和自动制冷。
这导致液体和蒸汽在较低的温度和压力下混合。接下来，冷的液体-蒸汽混合物穿过一个或多个蒸发器盘管，而此时，风扇正通过一个或多个蒸发器盘管吹过热风（来自被制冷的空间），通过冷却热风而将冷的液体-蒸汽混合物完全蒸发。产生的制冷剂蒸汽返回压缩机入口以完成热力循环。
上述讨论基于理想的蒸汽压缩制冷循环，没有考虑到现实世界的影响，如系统中的摩擦压降、制冷剂蒸汽压缩过程中轻微的热力学不可逆性或非理想气体行为(如果有的话)。
在二十世纪初期，水-氨蒸汽吸收循环系统很受欢迎并被广泛使用，但是，在蒸汽压缩循环发展之后，由于其较低的性能系数(大约是蒸汽压缩循环的五分之一)，水-氨蒸汽吸收循环系统失去了它的重要地位。如今，蒸汽吸收循环仅在热量比电力更容易获得的地方使用，例如太阳能收集器提供的废热，或休闲车中的离网制冷。
除了提高制冷剂蒸汽压力的方法之外，吸收循环类似于压缩循环。在吸收系统中，压缩机由将制冷剂溶解在合适液体中的吸收器、升高压力的液体泵和在加热时从高压液体中排出制冷剂蒸汽的发生器代替。液体泵需要一些功，但是对于给定数量的制冷剂，它比蒸汽压缩循环中压缩机所需的功小得多。在吸收式制冷机中，合适的制冷剂和吸收剂的组合会被使用。最常见的组合是氨(制冷剂)和水(吸收剂)，以及水(制冷剂)和溴化锂(吸收剂)。
当工作流体是被压缩和膨胀但不变相的气体时，制冷循环被称为气体循环。空气通常作为工作流体。因为在气体循环中没有冷凝和蒸发，因此在蒸气压缩循环中对应于冷凝器和蒸发器的部件是热的和冷的气-气热交换器。
对于给定的极端温度，气体循环可能不如蒸汽压缩循环有效，因为气体循环是在逆布雷顿循环而不是逆兰金循环上工作。因此，工作流体在恒温下从不接收或排出热量。在气体循环中，制冷效果等于气体比热和低温侧气体温度升高的乘积。因此，对于相同的冷却负荷，气体制冷循环机器需要更大的质量流量，这反而又增加了它们的尺寸。
由于空气循环冷却器效率较低且体积较大，因此通常不用于地面制冷。然而，空气循环机在燃气轮机驱动的喷气式客机上非常普遍，因为压缩空气很容易从发动机的压缩机部分获得。这些喷气式飞机的冷却和通风装置也用于加热和加压飞机机舱。
斯特林循环热机可以反向驱动，使用机械能输入来反向驱动热传递(即热泵或冰箱)。有几种设计配置可以用来构建这种设备。多种这样的设置需要旋转或滑动密封，而这可能导致需要在减少摩擦损失和减少制冷剂泄漏之间做困难的权衡。
由于卡诺循环是可逆循环，所以组成它的四个过程（两个等温的和两个等熵的过程），也可以颠倒。当这种情况发生时，它被称为逆卡诺循环。作用于逆卡诺循环的制冷机或热泵分别称为卡诺制冷机和卡诺热泵。在该循环的第一阶段(过程1-2)，制冷剂从低温源TL 等温吸收热量，其量为QL。接下来，制冷剂被等熵压缩(过程2-3)，温度上升到高温源TH。然后在这个高温下，制冷剂以QH的量等温排热(过程3-4)。同样在这个阶段，制冷剂在冷凝器中从饱和蒸汽变为饱和液体。最后，制冷剂等熵膨胀，温度下降回到低温源 TL (过程4-1)。[2]
冰箱或热泵的效率由一个称为性能系数（COP）的参数给出。
冰箱的COP由以下等式给出：
热泵的COP由以下等式给出：
冰箱和热泵的COP都可以大于1。将这两个等式结合在一起可以得出：
这意味着COPHP会大于1，将大于1，因为COPR将是一个正数量。在最坏的情况下，热泵将提供与其消耗的能量一样多的能量，使其充当电阻加热器。然而，实际上，就像在家庭供暖中一样，一些QH通过管道、、隔热材料等输给了外界空气，从而使得当外部空气温度过低时, COPHP下降到一单位以下。因此，用于加热房屋的系统使用燃料。[2]
对于理想的制冷循环：
对于理想的热泵循环：
对于卡诺制冷机和热泵，COP用温度表示：
^The Systems and Equipment volume of the ASHRAE Handbook, ASHRAE, Inc., Atlanta, GA, 2004.
^Cengel, Yunus A. and Michael A. Boles (2008). Thermodynamics: An Engineering Approach (6th ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-330537-5..
^Fundamentals of Engineering Thermodynamics, by Howell and Buckius, McGraw-Hill, New York..
^The Ideal Vapor-Compression Cycle Archived 2007-02-26 at the Wayback Machine.
^Scroll down to "The Basic Vapor Compression Cycle and Components".
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