Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki przepływ ciepła następuje ze źródła lub zbiornika o wysokiej temperaturze do odbiornika lub zbiornika o niskiej temperaturze. Do przenoszenia ciepła ze zbiorników o niskiej temperaturze do zbiorników o wysokiej temperaturze niezbędne jest wykonanie pracy. Pompa ciepła przenosi ciepło z atmosfery o niskiej temperaturze do pomieszczenia o wysokiej temperaturze, dlatego potrzebuje zewnętrznego źródła energii (zasilania elektrycznego).
W trakcie pracy pompy ciepła wykorzystywana jest druga zasada termodynamiki, która na różnych etapach pracy pompy ciepła opisywana jest za pomocą diagramów R-h.
Przebieg 2-> 3 Sprężarka: Za pomocą sprężarki ciśnienie gazowego czynnika chłodniczego wzrasta z ok. 15 do ok. 40 barów. Entalpia (e) pozostaje stała podczas tego procesu. W rzeczywistości entropia nieco wzrośnie, ponieważ energia elektryczna potrzebna do zasilania sprężarki jest częściowo absorbowana przez czynnik chłodniczy. Dzięki temu temperatura gazowego czynnika chłodniczego wzrośnie do ok. 120°C (dla amoniaku). Sprężarka spręża czynnik chłodniczy do bardzo wysokiego ciśnienia. Podczas tego procesu następuje również wzrost temperatury czynnika. Czynnik chłodniczy wchodząc do sprężarki, znajduje się w stanie gazowym i ma niskie ciśnienie oraz niską temperaturę, a na wyjściu ze sprężarki uzyskuje wysokie ciśnienie oraz wysoką temperaturę (jednakże w dalszym ciągu znajduje się w stanie gazowym).
Gdy czynnik chłodniczy opuszcza sprężarkę, jest bardzo gorący i znajduje się pod dużym ciśnieniem. Czynnik chłodniczy jest następnie przesyłany do skraplacza, który zwykle wykonany jest z miedzianych rurek. W wyniku wysokich temperatur czynnika chłodniczego wężownica wewnątrz skraplacza również bardzo się nagrzewa, wytwarzając ciepło w pomieszczeniu.
Przebieg 3-> 4 Skraplacz: Skraplacz dostarcza użyteczną energię, tym samym przegrzany gaz w skraplaczu jest schładzany z wysokiej temperatury (rzędu 120°C) do niskiej temperatury (rzędu 80°C). Następnie następuje skraplanie czynnika w stałej temperaturze 80°C, aż cała para stanie się płynna. Ciecz przepływa do urządzenia rozprężającego.
Skraplacz klimatyzatora znajduje się na zewnątrz pomieszczenia, które ma być chłodzone, natomiast skraplacz pompy ciepła znajduje się wewnątrz pomieszczenia, które ma być ogrzewane.
Zawór rozprężny zmniejsza ciśnienie. Czynnik chłodniczy wpływający do zaworu rozprężnego przy wysokim ciśnieniu i średniej temperaturze nagle doświadcza spadku ciśnienia i temperatury. W pompach ciepła najczęściej spotykanymi zaworami rozprężnymi są miedziane rurki kapilarne. Zawory rozprężne wypuszczają czynnik chłodniczy znajdujący się w stanie częściowo ciekłym, a częściowo gazowym (przy niskich parametrach ciśnienia i temperatury).
Przebieg 4-> 5 Zawór rozprężny: Wewnątrz zaworu rozprężnego ciśnienie jest redukowane z około 40 do około 15 barów. W wyniku rozprężenia powstaje mieszanina gazowego i płynnego czynnika chłodzącego. Ta mieszanina następnie przepływa do separatora cieczy.
Przebieg 1-> 5/2 Separator cieczy: Wewnątrz separatora cieczy można znaleźć zarówno czynnik chłodniczy w stanie płynnym (5), jak i gazowym (1). Najważniejszą funkcją separatora cieczy jest oddzielanie cieczy od pary. Para przepływa do sprężarki; ciecz jest pompowana przez parowniki.
Pompy ciepła mają parowniki zlokalizowane na zewnątrz pomieszczenia (są wystawione na środowisko zewnętrzne), które ma niższą temperaturę niż ogrzewane pomieszczenie. Miedziana wężownica również tworzy parownik, podobnie jak skraplacz. Czynnik chłodzący wchodząc do wężownicy parownika przy niskim ciśnieniu i niskiej temperaturze podlega częściowemu skropleniu.
Przebieg 5-> 6 Parownik: Płynny czynnik chłodzący znajdujący się na dnie separatora jest pompowany przez parownik. Wewnątrz parownika część czynnika chłodniczego odparowuje w stałej temperaturze ok. 40°C. Energia potrzebna do odparowania jest dostarczana przez źródło ciepła odpadowego. Mieszanina ciekłego i parowego czynnika chłodniczego przepływa z powrotem do separatora (6) i jest ponownie rozdzielana na ciecz i parę.
Wszystkie główne elementy pompy ciepła (sprężarka, skraplacz, parownik, pompa obiegowa, zawór rozprężny) połączone są ze sobą za pomocą rurek najczęściej miedzianych. Przy czym obieg gorący zwykle jest izolowany, tak aby z jednej strony występowały jak najmniejsze straty ciepła, a z drugiej strony aby wnętrze pompy ciepła nie nagrzewało się nadmiernie. Nowoczesne pompy ciepła wyposażone są również w inwertery które strują praca pompy tak, aby jej wydajność dopasowywać do warunków zewnętrznych (płynnie regulować jej wydajność i tym samym również zużycie energii).
Poza podstawowymi elementami pompy ciepła, równie ważnym jest czynnik chłodniczy. Pompy ciepła wykorzystują ten sam czynnik chłodniczy, co lodówki i klimatyzatory. Chlorofluorowęglowodory należą do najpowszechniejszych czynników chłodniczych, ale producenci coraz częściej sięgają po czynniki nieuznawane za odpowiedzialne za powstawanie gazów cieplarnianych (jak na przykład R290, czyli gazowy propan).
Na podstawie diagramów R-h dla różnych czynników chłodniczych można określić zakresy parametrów pracy pompy ciepła, przy czym przebieg procesów sprężania -> skraplania -> rozprężania -> parowania -> wyglądają bardzo podobnie (zmieniają się zakresy pracy ciśnień i temperatur).
Poniżej można pobrać diagramy R-h dla różnych czynników chłodniczych:
Diagram R-H dla czynnika chłodniczego R410
