여러 형태의 에너지는 다른 형태로 변환될 수 있으나 그 변환과정은 반드시 열역학 (熱力學 : Thermodynamics) 제1법칙과 제2법칙의 제약아래 일어난다.
열역학 제1법칙은 줄(J.Joule)이 체계화한 에너지보존(保存)의 법칙으로, 고립된 계내 에너지의 총량은 변하지 않고, 어떤 형태의 에너지가 다른 형태로 변환될 때 없어진 양과 생성된 양은 동일함을 가르쳐 준다. 바꾸어 말하면 에너지는 그 형태가 바뀔 수는 있으나 창조되거나 소멸되지는 않는다. 또 상대성이론에 의하여 물체의 질량(質量 : Mass)도 에너지와 동일함이 밝혀 졌으며, 에너지와 질량은 서로 변환될 수 있고 이 때 공식 E=mc2을 따른다.
열역학 제 2법칙은 카르노(5.Carnot)의 연구에 기반을 둔 것으로, 이 법칙은 열 에너지의 이동방향을 정의해 준다. 즉 열은 항상 온도가 더 높은 물체로부터 더 낮은 물체로 전달되고 그 역(逆)은 일을 투입하지 않고는 불가능함을 밝혀 준다. 따라서 열 에너지를 더 차가운 물체에서 더 뜨거운 물체로 이동시키려면 반드시 일을 투입해야만 된다.
제 2법칙에 의하면 기계적 에너지는 동량의 열 에너지로 변환시킬 수 있으나, 역으로 열은 동량의 기계적 에너지로 완전히 변환되지 않는다. 따라서 열기관에서는 투입되는 열에너지를 100%기계적 에너지로 변환시키지 못하고 상당한 열을 주변으로 내버려야 한다. 예컨대 자동차와 같은 내연기관의 경우, 사용된 연소에너지 중 약 25%만이 기계적 에너지, 즉 자동차를 움직이는 에너지로 변환되고 나머지 75%는 열에너지 상태로 대기 중에 방출된다. 열기관에서 효율(效率 : Efficiency)이란 투입된 열에너지에 대하여 생산된 일의 비율을 말하는데, 제 2법칙에 의하면 효율이 100%인 열기관은 존재하지 않는다.
