熱力學是一個涉及能量和其轉化的學科，其原理也廣泛用于發酵系統的分析。
熱力學第一定律為能源守恒定律，即能量既不會憑空產生也不會消失。因此，可以認為能量進入一個系統后只有兩條出路：一是儲存起來；二是流出此系統。發酵工藝中的主要能量輸入是發酵基質的有機分子，當這些分子被微生物分解時，能量可轉化為微生物機體或以熱釋放到周圍環境中。由此可見，有機物分解產生的能量推動了堆肥化進程，使溫度升高，同時還可干燥濕基質。實際上也正好可以使微生物繼續獲得能量對周圍有機質進行分解。
熱力學第二定律則提出了熱量的散失方向，即對于所有獨立系統來講，其熵的變化總是向著無序增加的狀態進行。發酵過程中始終伴隨這熱量的散失，熱量一旦損失，就不可逆轉，必須靠微生物進一步利用有機碳源來獲得能量。
有機物分解產生的熱量使發酵混合物的水、氣和固體基質溫度升高，也驅動了水分隨氣體排出而蒸發。由于堆垛溫度比周圍環境溫度要高，熱量會從暴露于空氣的堆體表面散失。堆垛的隔離效應一定程度上可限制熱傳導，并減少了熱損失。條垛或堆體在機械攪拌下也會產生熱量損失。
