Die Gesetze der Thermodynamik sind trügerisch einfach zu erklären, aber sie sind weitreichend in ihren Konsequenzen. Das erste Gesetz behauptet, dass, wenn Wärme als eine Form von Energie erkannt wird, die Gesamtenergie eines Systems plus seiner Umgebung erhalten bleibt; mit anderen Worten, die Gesamtenergie des Universums bleibt konstant.
Das erste Gesetz wird in die Tat umgesetzt, indem der Energiefluss über die Grenze betrachtet wird, die ein System von seiner Umgebung trennt., Betrachten Sie das klassische Beispiel eines Gases, das in einem Zylinder mit beweglichem Kolben eingeschlossen ist. Die Wände des Zylinders fungieren als die Grenze, die das Gas im Inneren von der Außenwelt trennt, und der bewegliche Kolben stellt einen Mechanismus für die Arbeit des Gases bereit, indem es sich gegen die Kraft ausdehnt, die den Kolben (angenommen reibungslos) an Ort und Stelle hält. Wenn das Gas W arbeitet, während es sich ausdehnt, und / oder Wärme Q aus seiner Umgebung durch die Wände des Zylinders absorbiert, entspricht dies einem Nettoenergiefluss W − Q über die Grenze zur Umgebung., Um die Gesamtenergie U zu schonen, muss eine Gegengewichtsänderung ΔU = QW (1) in der inneren Energie des Gases erfolgen. Das erste Gesetz sieht eine Art strenges Energiebuchhaltungssystem vor, bei dem die Änderung des Energiekontos (ΔU) der Differenz zwischen Einzahlungen (Q) und Abhebungen (W) entspricht.
Es gibt eine wichtige Unterscheidung zwischen der Menge ΔU und den zugehörigen Energiemengen Q und W., Da die innere Energie U vollständig durch die Größen (oder Parameter) charakterisiert ist, die den Zustand des Systems im Gleichgewicht eindeutig bestimmen, wird gesagt, dass es sich um eine Zustandsfunktion handelt, so dass jede Änderung der Energie vollständig durch die anfänglichen (i) und endgültigen (f) Zustände des Systems bestimmt wird: ΔU = Uf − Ui. Q und W sind jedoch keine Zustandsfunktionen. Genau wie im Beispiel eines Berstballons kann das Gas im Inneren überhaupt keine Arbeit leisten, um seinen endgültigen expandierten Zustand zu erreichen, oder es könnte maximale Arbeit leisten, indem es sich in einem Zylinder mit einem beweglichen Kolben ausdehnt, um denselben Endzustand zu erreichen., Alles, was erforderlich ist, ist, dass die Energiewende (ΔU) gleich bleibt. Analog dazu könnte die gleiche Änderung des Bankkontos durch viele verschiedene Kombinationen von Ein-und Auszahlungen erreicht werden. Daher sind Q und W keine Zustandsfunktionen, da ihre Werte von dem bestimmten Prozess (oder Pfad) abhängen, der denselben Anfangs-und Endzustand verbindet. So wie es sinnvoller ist, vom Kontostand auf dem Bankkonto als vom Ein-oder Auszahlungsinhalt zu sprechen, ist es nur sinnvoll, von der inneren Energie eines Systems und nicht von seinem Wärme-oder Arbeitsinhalt zu sprechen.,
Aus formaler mathematischer Sicht ist die inkrementelle Änderung dU in der inneren Energie ein exaktes Differential (siehe Differentialgleichung), während die entsprechenden inkrementellen Änderungen d ‚Q und d‘ W in Wärme und Arbeit nicht sind, weil die definitiven Integrale dieser Größen pfadabhängig sind. Diese Konzepte können zu großem Vorteil in einer präzisen mathematischen Formulierung der Thermodynamik verwendet werden (siehe unten Thermodynamische Eigenschaften und Beziehungen).,
Wärmekraftmaschinen
Das klassische Beispiel einer Wärmekraftmaschine ist eine Dampfmaschine, obwohl alle modernen Motoren den gleichen Prinzipien folgen. Dampfmaschinen arbeiten zyklisch, wobei sich der Kolben für jeden Zyklus einmal auf und ab bewegt. Heißer Hochdruckdampf wird in der ersten Hälfte jedes Zyklus in den Zylinder aufgenommen und darf dann in der zweiten Hälfte wieder entweichen. Der Gesamteffekt besteht darin, Wärme Q1 zu nehmen, die durch Verbrennen eines Brennstoffs erzeugt wird, um Dampf zu erzeugen, einen Teil davon in Arbeit umzuwandeln und die verbleibende Wärme Q2 bei einer niedrigeren Temperatur an die Umgebung abzugeben., Die absorbierte Nettowärmeenergie ist dann Q = Q1-Q2. Da der Motor in seinen Ausgangszustand zurückkehrt, ändert sich seine innere Energie U nicht (ΔU = 0). Somit muss nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik die für jeden vollständigen Zyklus geleistete Arbeit W = Q1 − Q2 sein. Mit anderen Worten, die Arbeit, die für jeden vollständigen Zyklus ausgeführt wird, ist nur der Unterschied zwischen der Wärme Q1, die vom Motor bei einer hohen Temperatur absorbiert wird, und der Wärme Q2, die bei einer niedrigeren Temperatur verbraucht wird. Die Kraft der Thermodynamik besteht darin, dass diese Schlussfolgerung völlig unabhängig vom detaillierten Arbeitsmechanismus des Motors ist., Es beruht nur auf der allgemeinen Energieeinsparung, wobei Wärme als Energieform angesehen wird.
Um Kraftstoff zu sparen und eine Kontamination der Umwelt mit Abwärme zu vermeiden, wurden Motoren entwickelt, um die Umwandlung von absorbierter Wärme Q1 in Nutzarbeit zu maximieren und die Abwärme Q2 zu minimieren. Der Carnot-Wirkungsgrad (η) eines Motors ist definiert als das Verhältnis W/Q1—d. H. Der Bruchteil von Q1, der in Arbeit umgewandelt wird., Da W = Q1-Q2, kann der Wirkungsgrad auch in der Form ausgedrückt werden 
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Wenn überhaupt keine Abwärme vorhanden war, dann Q2 = 0 und η = 1, entsprechend 100 Prozent Wirkungsgrad. Während die Verringerung der Reibung in einem Motor die Abwärme verringert, kann sie niemals beseitigt werden; Daher gibt es eine Grenze dafür, wie klein Q2 sein kann und somit wie groß der Wirkungsgrad sein kann. Diese Einschränkung ist ein Grundgesetz der Natur-in der Tat der zweite Hauptsatz der Thermodynamik (siehe unten).