热力学定律描述能量如何守恒、过程为何具有方向性，以及低温极限下系统的性质。大气中的加热、膨胀、凝结和辐射过程都受到这些定律约束。
热力学第一定律
第一定律是能量守恒在热力过程中的表达：能量不会凭空产生或消失，只能在内能、功和热量之间转换。
对单位质量空气，常写成：
$$
dq = du + p,d\alpha
$$
其中 $dq$ 是空气获得的热量，$du$ 是内能变化，$p$ 是气压，$\alpha$ 是比容。气块上升膨胀时会对外做功，即使没有和外界交换热量，温度也可能下降。
热力学第二定律
第二定律说明自然过程具有方向性。在没有外界作用时，热量倾向于从高温物体传向低温物体，而不会自发地反向传递。
它也可以用熵描述：孤立系统的总熵不会减少。大气中的摩擦、扩散和不可逆混合都会产生熵，因此真实大气过程通常不可能完全逆转。
热力学第三定律
第三定律描述温度趋近绝对零度时系统熵的极限行为。一个常见推论是：通过有限步骤不可能把系统降到绝对零度。
它在日常天气分析中出现得不多，但为绝对熵、化学势和低温热力学提供了理论基准。
三条定律之间的关系
- 第一定律回答“能量去了哪里”。
- 第二定律回答“过程能朝哪个方向发生”。
- 第三定律为熵和绝对零度提供基准。
在研究大气时，第一定律最常直接用于温度倾向和能量收支，第二定律则帮助理解潜热释放、辐射和湍流混合等不可逆过程。