as leis da termodinâmica são enganosamente simples de declarar, mas são de longo alcance em suas consequências. A primeira lei afirma que se o calor é reconhecido como uma forma de energia, então a energia total de um sistema mais seus arredores é conservada; em outras palavras, a energia total do universo permanece constante.
A primeira lei é posta em ação considerando o fluxo de energia através da fronteira separando um sistema de seu entorno., Considere o exemplo clássico de um gás fechado em um cilindro com um pistão móvel. As paredes do cilindro agem como a fronteira que separa o gás dentro do mundo fora, e o pistão móvel fornece um mecanismo para o gás para fazer o trabalho, expandindo-se contra a força que mantém o pistão (assumido sem fricção) no lugar. Se o gás funciona W à medida que se expande, e/ou absorve calor Q do seu entorno através das paredes do cilindro, então isso corresponde a um fluxo líquido de energia W − Q através do limite para o entorno., A fim de conservar a energia total U, deve haver uma mudança de contrapeso ΔU = Q − W (1) na energia interna do gás. A primeira lei fornece uma espécie de Sistema rigoroso de contabilidade energética em que a variação na conta de energia (ΔU) iguala a diferença entre depósitos (Q) e levantamentos (W).
Há uma distinção importante entre a quantidade ΔU e as quantidades de energia relacionadas Q e W., Uma vez que a energia interna U é caracterizada inteiramente pelas quantidades (ou parâmetros) que determinam unicamente o estado do sistema em equilíbrio, diz − se ser uma função de estado tal que qualquer mudança na energia é determinada inteiramente pelos estados iniciais (i) e finais (f) do sistema: ΔU = Uf-Ui. No entanto, Q E W não são funções de Estado. Assim como no exemplo de um balão de ruptura, o gás dentro pode não fazer nenhum trabalho em alcançar o seu estado expandido final, ou pode fazer o trabalho máximo expandindo-se dentro de um cilindro com um pistão móvel para atingir o mesmo estado final., Tudo o que é necessário é que a mudança na energia (ΔU) permaneça a mesma. Por analogia, a mesma alteração na sua conta bancária poderia ser obtida através de muitas combinações diferentes de depósitos e levantamentos. Assim, Q E W não são funções de estado, porque seus valores dependem do processo particular (ou caminho) conectando os mesmos estados iniciais e finais. Do mesmo modo que é mais significativo falar do saldo da conta bancária do que do seu conteúdo de depósito ou levantamento, é apenas significativo falar da energia interna de um sistema e não do seu conteúdo de calor ou de trabalho.,
de um ponto de vista matemático formal, a mudança incremental dU na energia interna é um diferencial exato (ver equação diferencial), enquanto as correspondentes mudanças incrementais D’Q e D’W no calor e no trabalho não são, porque as integrais definidas dessas quantidades são dependentes do caminho. Estes conceitos podem ser usados para grande vantagem em uma formulação matemática precisa da termodinâmica (ver abaixo Propriedades e relações termodinâmicas).,
motores térmicos
o exemplo clássico de um motor térmico é um motor a vapor, embora todos os motores modernos sigam os mesmos princípios. Motores a vapor funcionam de forma cíclica, com o pistão movendo-se para cima e para baixo uma vez para cada ciclo. O vapor quente de alta pressão é admitido no cilindro na primeira metade de cada ciclo, e então é permitido escapar novamente na segunda metade. O efeito global é tomar o calor Q1 gerado pela queima de um combustível para fazer vapor, Converter parte dele para fazer o trabalho, e esgotar o calor restante Q2 para o ambiente a uma temperatura mais baixa., A energia líquida de calor absorvida é então Q = Q1-Q2. Uma vez que o motor retorna ao seu estado inicial, sua energia interna U não muda (ΔU = 0). Assim, pela primeira lei da termodinâmica, o trabalho feito para cada ciclo completo deve ser W = Q1 − Q2. Em outras palavras, o trabalho feito para cada ciclo completo é apenas a diferença entre o calor Q1 absorvido pelo motor a alta temperatura e o calor Q2 exausto a uma temperatura mais baixa. A potência da termodinâmica é que esta conclusão é completamente independente do mecanismo de trabalho detalhado do motor., Baseia-se apenas na conservação global da energia, com o calor considerado como uma forma de energia.a fim de economizar dinheiro em combustível e evitar contaminar o ambiente com calor residual, os motores são projetados para maximizar a conversão do calor absorvido Q1 em trabalho útil e para minimizar o calor residual Q2. A eficiência do Carnot (η) de um motor é definida como a razão W/Q1—isto é, a fração de Q1 Que é convertida em trabalho., Uma vez que W = Q1 − Q2, a eficiência também pode ser expressa na forma 
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Se não houve nenhum calor residual, então Q2 = 0 e η = 1, correspondendo a 100% de eficiência. Ao reduzir o atrito em um motor diminui o calor desperdiçado, ele nunca pode ser eliminado; portanto, há um limite em quão pequeno Q2 pode ser e, portanto, em quão grande a eficiência pode ser. Esta limitação é uma lei fundamental da natureza—na verdade, a Segunda Lei da termodinâmica (ver abaixo).