从热力学角度说，制冷系统是利用逆向循环的能量转换系统。按补偿能量的形式（或驱动方式），前面所提及的制冷方法归为两大类：以机械能或电能为补偿的和以热能为补偿的。前者如蒸气压缩式、热电式制冷机等；后者如吸收、蒸气喷射、吸附式制冷机等。
两类制冷机的能量转换关系如图1所示。
图1 制冷机的能量转换关系
(a) 以电能或机械能驱动的制冷机 (b) 以热能驱动的制冷机
热力学关心的是能量转换的经济性，即花费一定的补偿能，可以收到多少制冷效果（制冷量）。为此，对于机械或电驱动方式的制冷机引入制冷系数 来衡量；对于热能驱动方式的制冷机，引入热力系数
来衡量。
(1)
(2)
式中
----- 制冷机的制冷量；
------ 冷机的输入功；
----- 驱动热源向制冷机输入的热量。
国外习惯上将制冷系数和热力系数统称为制冷机的性能系数COP(Coefficience of Performance)。我们要研究一定条件下COP的最高值。
对于电能或机械能驱动的制冷机，参见图1(a)。制冷机消耗功w实现从低温热源（被冷却对象，温度
）吸热，向高温热源（通常为环境，温度
）排热。假定两热源均为恒温热源，向高温热源的排热量为
，由低温热源的吸热量（即制冷量）为
，制冷机为可逆循环。
由热力学第一定律有
(3)
由热力学第二定律，在两个恒温热源间工作的可逆机，一个循环的熵增等于零，即
(4)
将式(3)代入式(4)得，
即 
(5)
由定义式(1)，则可逆制冷的制冷系数为
(6)
式(6)说明：①两恒温热源间工作的可逆制冷机，其制冷系数只与热源温度有关，而与制冷机使用的制冷剂性质无关。② 
的值与两热源温度的接低程度有关，
与
越接近（
/
越小），则 
越大；反之 
越小。实际制冷机制冷系数
随热源温度的变化趋势与可逆机是一致的。
对于以热能驱动的制冷机，参见图 。制冷机从驱动热源（温度为
）吸收热量
作为补偿，完成从低温热原吸热，向高温热源排热的能量转换。我们假定驱动热源也是恒温热源，其它假定同前。那么类似地推导热能驱动的可逆制冷机的性能系数
由热力学第一定律有：
(7)
由热力学第二定律，循环中
即
(8)
利用式(7)， (8)和定义式(2)得出，热能驱动的可逆制冷机的热力系数
(9)
上式右边的第一个因子就是上面导出的在
，
温度之间工作的可逆机械制冷机的制冷系数
；而第二个因子
则是在
，
温度之间工作的可逆热发动机的热效率。故它相当于用一个可逆热机，将驱动热源的热量
转换成机械功
，
=
再由
去驱动一个可逆机械制冷机。见图2。这说明 
与
在数量上不具备可比性，因为补偿能
与
的品位不同。
图2 热能驱动的制冷机等价关系图
式(9)同样说明，热能驱动的可逆制冷机的性能系数（或热力系数）也只与热源的温度
，
和
有关，而与工质的性质无关。
越高（驱动热源的品位越高）、
与
越接近，则
越大；反之，
越小。
式(6)和式(9)给出一定热源条件下制冷机性能系数的最高值
，
。故它们是价实际制冷机性能系数的基准值。实际制冷机循环中的不可逆损失总是存在的，其性能系数COP恒小于相同热源条件下可逆机的性能系数COPc。用制冷循环效率
评价实际制冷循环的热力学完善程度（与可逆循环的接近程度），
又叫制冷循环的热力完善。定义
(10)
或 
（机械能或电能驱动的制冷机） (11a)
（热能驱动的制冷机） (11b)
恒有 
(12)
越大，说明循环越好，热力学的不可逆损失越小；反之，
越小，则说明循环中热力学不可逆损失越大。
性能系数COP和热力完善度
都是反映制冷循环经济性的指标。但二者的含义不同，COP反映制冷循环中收益能与补偿能在数量上的比值。不涉及二者的能量品位。COP的数值可能大于1、 小于1或