热力学系统是在热力学中选定作为分析对象的一定量物质或空间区域。边界将系统与环境分隔开，并确定分析中需要计入哪些物质和能量交换。系统可以是气缸内的气体、正在发生反应的物质，也可以是流经机械设备的流体。如何定义系统是一种建模选择：同一套物理装置可以采用不同的边界来分析，只要对其性质和传递量的处理保持一致即可。(web.mit.edu)
边界与环境
边界是包围系统的真实或假想表面。它可以与容器壁重合，可以随活塞移动，也可以横切流动的流体。边界之外的一切构成环境。边界不必固定不动，系统的体积也不必保持恒定。在工程中，选定的、允许物质流经的区域称为控制体积，而包围它的边界称为控制面。(web.mit.edu)
边界条件规定了可能发生的相互作用。刚性边界不允许体积变化；可动边界允许膨胀或压缩。隔热边界限制热传递，导热边界则允许热传递。这些限制彼此独立：密封容器可以交换热，隔热活塞也可以传递机械功。因此，必须区分隔热与完全孤立。(openstax.org)
开放系统、封闭系统与孤立系统
系统通常按能够穿过边界的内容来分类：
- 开放系统可以与环境交换物质和能量。具有入口和出口的涡轮机在运行时通常按这种系统分析。
- 封闭系统不交换物质，但能量可以穿过其边界。密封活塞下方一定量的气体就是典型例子。
- 孤立系统既不交换物质，也不交换能量。孤立是一种理想化假设；在指定时间段内，隔热足够良好且密封的装置可以近似视为孤立系统。(web.mit.edu)
封闭系统也称为控制质量，因为分析始终针对固定的一定量物质。它的体积可以变化。相反，即使控制体积内的总质量保持不变，物质仍可连续流入和流出。系统分类关注的是允许发生哪些传递，而不只是测得的系统内物质量是否随时间变化。(web.mit.edu)
状态、性质与平衡
热力学状态由温度、压强、体积和组成等宏观性质描述。状态函数取决于当前状态，而与到达该状态所经历的路径无关。内能就是一个例子。性质可分为强度性质和广延性质：温度和压强属于强度性质；质量和体积属于广延性质，在其他条件相同的系统中，它们随物质量成比例变化。(web.mit.edu)
对于平衡系统，状态方程给出其性质之间的关系。例如，理想气体模型采用 ，其中 为物质的量， 为气体常数。这类关系意味着，所列出的性质并非都能独立指定。它们是否适用，取决于具体物质以及模型所描述的条件。(openstax.org)
热力学平衡要求在给定约束下，不存在未被平衡的、促使热学、力学或化学变化发生的趋势。热平衡对应温度相等；力学平衡涉及力的平衡；化学平衡则意味着没有净化学转化。热力学第零定律确立了热平衡的传递性。稳定流动的系统不一定处于平衡状态：其性质可以保持不变，同时各种传递仍在持续发生。(web.mit.edu)
能量传递与能量平衡
热和功（物理学）描述的是穿过边界的能量，而不是储存在系统内部的物质。热是由温度差引起的能量传递。功包括机械方式以及其他非热方式的能量传递。与状态函数的变化量不同，热和功的数值通常取决于具体过程。(ocw.mit.edu)
对于封闭系统，热力学第一定律可写为
其中， 为传入系统的热量， 为系统对外所做的功。总能量 包括内能，以及任何相关的整体运动动能和势能。当后两项不发生变化时，方程变为 。也可以采用其他正负号约定，只要始终保持一致。(openstax.org)
开放系统的能量平衡还需计入流入和流出物质所携带的能量。在流体流动分析中，焓 包含内能以及与流动有关的压强—体积项。稳定运行时，通过热、功及流入物质进入系统的能量，与通过相应途径离开系统的能量相平衡；动能和势能的贡献也可能需要考虑。(live.ocw.mit.edu)
过程与熵
过程使系统的状态发生变化。等温过程保持温度恒定，等压过程保持压强恒定，等容过程保持体积恒定。绝热过程中没有热传递，但可以有功的传递和温度变化。准静态过程经过一系列无限接近平衡的状态；仅有这一条件并不能排除耗散效应。在循环中，系统回到初始状态，因此每个状态函数的净变化量都为零。(openstax.org)
熵通过热力学第二定律给出了另一项约束。孤立系统的熵不能减少：在不可逆过程中增加，在可逆极限下保持不变。非孤立系统的熵可以通过与环境的交换而减少，这并不违反该定律。对于孤立系统，平衡状态对应于在其守恒量和约束条件下熵最大的状态。(live.ocw.mit.edu)