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在大气科学中对大气状态的描述与物理学中对理想气体的描述是一致的，也采用温度T、气压p、体积V作为状态变量。并且，近似把实际大气作为理想气体看待，不考虑分子之间的相互作用，状态变量满足理想气体的状态方程，即
其中n为摩尔数，R为气体常数。利用空气的组成成分，可以求出空气的平均分子量为28.96，因此得到单位质量干空气的状态方程为：
式中R d 为干空气的气体常数，287 J·K - 1 ·kg - 1 。
由于大气中所含水汽量随时间和地点有很大变化，因而上述方程中不包括水汽作用，大气科学中考虑水汽的单位质量湿空气状态方程为：
式中e为水汽分压，T v 为虚温。
大气热力学的基础是热力学第一定律：
ΔQ为系统从外界吸收的热量，ΔU为系统内能增加，ΔW为系统对外所做的功。
将热力学第一定律运用到大气中得到大气热流量方程，对单位质量的空气有：
不饱和湿空气在绝热过程中有δh= 0，于是单位质量空气的热流量方程为：
积分得到：
其中T 0 、p 0 为初始状态的温度和气压。此式是不饱和湿空气的状态方程，常被称为泊松（Poisson）方程。
大气科学中把不饱和湿空气从某一高度出发，经过绝热过程，上升或下降到气压为1 000 hPa高度处的温度称为位温。即
式中θ为位温。可以看到，在不饱和湿空气的绝热过程中，位温是守恒的。位温经常用来追踪气团，因为同一来源的气团位温相近。
对位温表达式θ=
取对数，并微分得，
两边乘以c p d T得：
又利用（1.5）得：
此式为位温表达的大气热流量方程。说明湿空气中的干空气在没有热量交换时，位温不变。
气象学中把不饱和湿空气绝热上升单位高度温度降低的数值叫做干绝热温度直（递）减率。由绝热时的大气热流量方程有，
所以
于是
式中
表示干绝热直减率。
不饱和的湿空气在上升过程中，由于周围环境和自身温度降低，使饱和水汽压也降低，因而到达某一高度后，将出现饱和。现在就来研究饱和湿空气绝热过程的描述。气象学中的饱和空气绝热过程分为两类，第一类被称为可逆凝结绝热过程，指空气饱和以后所凝结出的液态水仍然保留在原气块中；第二类被称为假绝热过程，指凝结出来的液态水立即脱离原气块。
首先推导可逆凝结过程的方程。设上升空气的饱和混合比为w s ，饱和水汽和已凝结出的液态水的总混合比为w 0 ，E为上升空气的饱和水汽压，c w ，c s 分别为液态水和水汽在绝热过程中的比热，那么，对上升气块中单位质量的干空气有热流量方程：
利用发生凝结前后系统的熵变可以求得：
把上式代入热流量方程中得到：
积分得：
此式为可逆凝结绝热过程的状态方程。对于假绝热过程，只需在上式中令c w = 0，表示上升气块中没有液态水。
两种饱和湿空气的绝热过程在气块做上升运动阶段，可以不加区分，因为液态水含量毕竟是很少的，因而液态水变温放出的热量可以忽略，所以上升阶段两种过程可以不加区别。但是在饱和湿空气块做下沉运动时，可逆凝结绝热过程中已经凝结出的液态水可以再次蒸发，吸收热量，而假绝热过程由于凝结出的液态水已经全部脱离气块，所以没有液态水蒸发，也就不存在潜热交换。因此，两种饱和湿绝热过程在下沉阶段有非常大的区别，增温率不相同，必须分别考虑。具体地说，可逆凝结绝热过程下沉阶段仍然满足上面推导出的方程，假绝热过程下沉阶段由于气块自身温度逐渐上升，又没有水汽供给，所以是不饱和湿空气的绝热过程，按干绝热直减率增温。
类似于干绝热直减率，同样可以定义饱和湿空气的温度直减率，通常称为湿绝热直减率，用γ m 表示。可以求得：
其中a = 0.622
，b= 0.622
，并且有p+ a < p + b，
<
。
在出现水汽凝结和降水的过程中位温不再守恒。对干空气有，dh = c pd Td（lnθ），在饱和湿空气的绝热过程中，由于潜热释放，使干空气得到的热量为，dh= -Ldq s ，q s 为饱和比湿。因而，对处于饱和湿空气中的干空气而言有热流量方程：
所以有凝结时位温不再守恒。
因为
，并且，在一般情况下有
，所以热流量方程简化为
，对此式积分，并将下限取在凝结高度，上限取在
= 0处得到：
式中的θ se 表示湿空气上升到水汽全部凝结完，所有潜热释放后可以得到的最大位温，被称为假相当位温，T c 表示湿空气在凝结高度时的气温。θ c 表示湿空气在凝结高度处的位温。可以看到，在干湿绝热过程中假相当位温都是守恒的。