de wetten van de thermodynamica zijn bedrieglijk eenvoudig te stellen, maar ze zijn verstrekkend in hun gevolgen. De eerste wet stelt dat als warmte wordt herkend als een vorm van energie, dan wordt de totale energie van een systeem plus zijn omgeving behouden; met andere woorden, de totale energie van het universum blijft constant.
de eerste wet wordt in werking gesteld door rekening te houden met de stroom van energie over de grens die een systeem van zijn omgeving scheidt., Denk aan het klassieke voorbeeld van een gas ingesloten in een cilinder met een beweegbare zuiger. De wanden van de cilinder fungeren als de grens tussen het gas binnen van de wereld buiten, en de beweegbare zuiger biedt een mechanisme voor het gas om werk te doen door uit te breiden tegen de kracht die de zuiger (aangenomen wrijvingsloos) op zijn plaats houdt. Als het gas werkt W als het expandeert, en / of warmte Q absorbeert uit zijn omgeving door de wanden van de cilinder, dan komt dit overeen met een netto stroom van energie W − Q over de grens naar de omgeving., Om de totale energie U te behouden, moet er een tegenwicht in de interne energie van het gas zijn ΔU = Q − W (1). De eerste wet voorziet in een soort strikt energieboekhoudingssysteem waarbij de wijziging in de energierekening (ΔU) gelijk is aan het verschil tussen deposito ‘ s (Q) en opnames (W).
Er bestaat een belangrijk onderscheid tussen de hoeveelheid ΔU en de bijbehorende energiehoeveelheden Q en W., Aangezien de interne energie U volledig wordt gekenmerkt door de grootheden (of parameters) die op unieke wijze de toestand van het systeem bij evenwicht bepalen, wordt gezegd dat het een toestandsfunctie is die elke verandering in energie volledig wordt bepaald door de begin − (i) en eindtoestanden (F) van het systeem: ΔU = Uf-Ui. Q en W zijn echter geen statusfuncties. Net als in het voorbeeld van een barstende ballon, kan het gas binnen helemaal geen werk doen in het bereiken van zijn uiteindelijke geëxpandeerde toestand, of het kan maximaal werk doen door uit te breiden in een cilinder met een beweegbare zuiger om dezelfde uiteindelijke toestand te bereiken., Alles wat nodig is, is dat de verandering in energie (ΔU) hetzelfde blijft. Naar analogie, dezelfde verandering in iemands bankrekening kan worden bereikt door veel verschillende combinaties van stortingen en opnames. Q en W zijn dus geen statusfuncties, omdat hun waarden afhankelijk zijn van het specifieke proces (of pad) dat dezelfde begin-en eindtoestanden verbindt. Net zoals het zinvoller is om te spreken over het saldo op je bankrekening dan over de inhoud van de storting of opname, is het alleen zinvol om te spreken over de interne energie van een systeem en niet over de warmte of werkinhoud.,
uit formeel wiskundig oogpunt is de incrementele verandering dU in de interne energie een exact differentieel (zie differentiaalvergelijking), terwijl de corresponderende incrementele veranderingen D ‘Q en d’ W in warmte en werk dat niet zijn, omdat de definitieve integralen van deze grootheden padafhankelijk zijn. Deze concepten kunnen tot groot voordeel worden gebruikt in een nauwkeurige wiskundige formulering van de thermodynamica (zie hieronder thermodynamische eigenschappen en relaties).,
warmtemotoren
het klassieke voorbeeld van een warmtemotor is een stoommachine, hoewel alle moderne motoren dezelfde principes volgen. Stoommachines werken op een cyclische manier, waarbij de zuiger één keer op en neer beweegt voor elke cyclus. Hete hogedrukstoom wordt in de eerste helft van elke cyclus in de cilinder toegelaten en vervolgens mag deze in de tweede helft weer ontsnappen. Het totale effect is om warmte Q1 gegenereerd door het verbranden van een brandstof om stoom te maken, een deel ervan om te zetten om werk te doen, en uitlaat de resterende warmte Q2 naar de omgeving bij een lagere temperatuur., De netto geabsorbeerde warmte-energie is Dan Q = Q1-Q2. Aangezien de motor in zijn oorspronkelijke toestand terugkeert, verandert de interne energie U niet (ΔU = 0). Dus, volgens de eerste wet van de thermodynamica, moet het werk gedaan voor elke volledige cyclus W = Q1-Q2 zijn. Met andere woorden, het werk dat wordt gedaan voor elke volledige cyclus is gewoon het verschil tussen de warmte Q1 geabsorbeerd door de motor bij een hoge temperatuur en de warmte Q2 uitgeput bij een lagere temperatuur. De kracht van de thermodynamica is dat deze conclusie volledig onafhankelijk is van het gedetailleerde werkingsmechanisme van de motor., Het is alleen gebaseerd op het algemene behoud van energie, waarbij warmte als een vorm van energie wordt beschouwd.
om geld te besparen op brandstof en verontreiniging van het milieu met afvalwarmte te voorkomen, zijn motoren ontworpen om de omzetting van geabsorbeerde warmte Q1 in nuttig werk te maximaliseren en de afvalwarmte Q2 tot een minimum te beperken. Het Carnot-rendement (η) van een motor wordt gedefinieerd als de verhouding W/Q1—d.w.z. de fractie van Q1 die in werk wordt omgezet., Aangezien W = Q1-Q2, Kan het rendement ook worden uitgedrukt in de vorm 
(2)
als er helemaal geen afvalwarmte was, dan Q2 = 0 en η = 1, wat overeenkomt met 100 Procent rendement. Terwijl het verminderen van wrijving in een motor vermindert afvalwarmte, kan het nooit worden geëlimineerd; daarom is er een limiet op hoe klein Q2 kan zijn en dus op hoe groot de efficiëntie kan zijn. Deze beperking is een fundamentele wet van de natuur-in feite de tweede wet van de thermodynamica (zie hieronder).