Die Zustandsgleichung eines Stoffes liefert die zusätzlichen Informationen, die zur Berechnung der Arbeit erforderlich sind, die der Stoff beim Übergang von einem Gleichgewichtszustand in einen anderen auf einem bestimmten Weg verrichtet. Die Zustandsgleichung wird als funktionale Beziehung ausgedrückt, die die verschiedenen Parameter verbindet, die zur Beschreibung des Systemzustands erforderlich sind. Die grundlegenden Konzepte gelten für alle thermodynamischen Systeme, aber hier wird, um die Diskussion zu präzisieren, ein einfaches Gas in einem Zylinder mit einem beweglichen Kolben betrachtet. Die Zustandsgleichung hat dann die Form einer Gleichung, die P, V und T miteinander in Beziehung setzt, so dass bei Angabe von zwei beliebigen Werten der dritte bestimmt wird. Im Grenzbereich niedriger Drücke und hoher Temperaturen, in dem sich die Moleküle des Gases fast unabhängig voneinander bewegen, gehorchen alle Gase einer Zustandsgleichung, die als ideales Gasgesetz bekannt ist: PV = nRT, wobei n die Anzahl der Mole des Gases und R die universelle Gaskonstante 8,3145 Joule pro K ist. Im Internationalen Einheitensystem wird die Energie in Joule, das Volumen in Kubikmetern (m3), die Kraft in Newton (N) und der Druck in Pascal (Pa) gemessen, wobei 1 Pa = 1 N/m2. Eine Kraft von einem Newton, die eine Strecke von einem Meter zurücklegt, verrichtet ein Joule Arbeit. Somit haben die beiden Produkte PV und RT die Dimensionen von Arbeit (Energie). Ein P-V-Diagramm zeigt die Zustandsgleichung in grafischer Form für verschiedene Temperaturen.

Um die Pfadabhängigkeit der geleisteten Arbeit zu veranschaulichen, betrachte man drei Prozesse, die dieselben Anfangs- und Endzustände verbinden. Die Temperatur ist für beide Zustände gleich, aber beim Übergang vom Zustand i zum Zustand f dehnt sich das Gas von Vi auf Vf aus (wobei es Arbeit verrichtet), und der Druck fällt von Pi auf Pf. Nach der Definition des Integrals in Gleichung (22) ist die geleistete Arbeit die Fläche unter der Kurve (oder Geraden) für jeden der drei Prozesse. Für die Prozesse I und III sind die Flächen Rechtecke, so dass die geleistete Arbeit WI = Pi(Vf – Vi) (23) bzw. WIII = Pf(Vf – Vi), (24) ist. Der Prozess II ist komplizierter, da sich P kontinuierlich ändert, wenn sich V ändert. Da T jedoch konstant bleibt, kann man die Zustandsgleichung verwenden, um P = nRT/V in Gleichung (22) einzusetzen und erhält (25) oder, da PiVi = nRT = PfVf (26) für einen isothermen Prozess (ideales Gas), (27)

WII ist somit die Arbeit, die bei der reversiblen isothermen Expansion eines idealen Gases geleistet wird. Der Betrag der Arbeit ist in jedem der drei Fälle deutlich unterschiedlich. Bei einem zyklischen Prozess ist die verrichtete Nettoarbeit gleich der vom gesamten Zyklus umschlossenen Fläche.