Tilstandsligningen for et stof giver de yderligere oplysninger, der er nødvendige for at beregne det arbejde, som stoffet udfører ved overgangen fra en ligevægtstilstand til en anden langs en bestemt vej. Tilstandsligningen udtrykkes som et funktionelt forhold, der forbinder de forskellige parametre, der er nødvendige for at specificere systemets tilstand. De grundlæggende begreber gælder for alle termodynamiske systemer, men for at gøre diskussionen mere specifik vil der her blive taget udgangspunkt i en simpel gas i en cylinder med et bevægeligt stempel. Tilstandsligningen har så form af en ligning, der forbinder P, V og T, således at hvis to af dem er angivet, bestemmes den tredje. Ved lave tryk og høje temperaturer, hvor gasens molekyler bevæger sig næsten uafhængigt af hinanden, adlyder alle gasser en tilstandsligning, der er kendt som idealgasloven: PV = nRT, hvor n er antallet af mol af gassen og R er den universelle gaskonstant, 8,3145 joule pr. K. I det internationale enhedssystem måles energi i joule, volumen i kubikmeter (m3 ), kraft i newton (N) og tryk i pascal (Pa), hvor 1 Pa = 1 N/m2. En kraft på 1 newton, der bevæger sig over en afstand på 1 meter, udfører 1 joule arbejde. Således har begge produkterne PV og RT dimensionerne arbejde (energi). Et P-V-diagram vil vise tilstandsligningen i grafisk form for flere forskellige temperaturer.

For at illustrere det udførte arbejdes vejafhængighed kan man betragte tre processer, der forbinder de samme begyndelses- og sluttilstande. Temperaturen er den samme for begge tilstande, men ved at gå fra tilstand i til tilstand f udvider gassen sig fra Vi til Vf (udfører arbejde), og trykket falder fra Pi til Pf. I henhold til definitionen af integralet i ligning (22) er det udførte arbejde arealet under kurven (eller den rette linje) for hver af de tre processer. For proces I og III er arealerne rektangler, og det udførte arbejde er derfor henholdsvis WI = Pi(Vf – Vi) (23) og WIII = Pf(Vf – Vi), (24). Proces II er mere kompliceret, fordi P ændrer sig løbende i takt med, at V ændres. T forbliver dog konstant, og man kan derfor bruge tilstandsligningen til at erstatte P = nRT/V med P = nRT/V i ligning (22) for at få (25) eller, fordi PiVi = nRT = PfVf (26) for en (idealgas) isotermisk proces, (27)

WII er således det udførte arbejde i den reversible isotermiske ekspansion af en idealgas. Arbejdsmængden er klart forskellig i hvert af de tre tilfælde. For en cyklisk proces er det udførte nettoarbejde lig med det areal, der er omsluttet af den komplette cyklus.