prawa termodynamiki są zwodniczo proste do stwierdzenia, ale są dalekosiężne w swoich konsekwencjach. Pierwsze prawo mówi, że jeśli ciepło jest uznawane za formę energii, to całkowita energia układu i jego otoczenia jest zachowana; innymi słowy, całkowita energia wszechświata pozostaje stała.
pierwsze prawo jest wprowadzane w życie, biorąc pod uwagę przepływ energii przez granicę oddzielającą układ od jego otoczenia., Rozważmy klasyczny przykład gazu zamkniętego w cylindrze z ruchomym tłokiem. Ściany cylindra działają jako granica oddzielająca Gaz wewnątrz od świata zewnętrznego, a ruchomy tłok zapewnia mechanizm do pracy gazu poprzez rozciąganie się przed siłą trzymającą tłok (zakładaną beztarciową) w miejscu. Jeśli gaz pracuje W, gdy się rozszerza i / lub pochłania ciepło Q ze swojego otoczenia przez ścianki butli, to odpowiada to przepływowi netto energii w-Q przez granicę do otoczenia., Aby zachować całkowitą energię U, musi istnieć zmiana równoważąca ΔU = Q-W (1) W energii wewnętrznej gazu. Pierwsza ustawa przewiduje rodzaj ścisłego systemu rozliczania energii, w którym zmiana rachunku energii (ΔU) równa się różnicy między wpłatami (Q) i wypłatami (W).
istnieje ważne rozróżnienie między ilością ΔU a powiązanymi ilościami energii Q i W., Ponieważ energia wewnętrzna U charakteryzuje się w całości wielkościami (lub parametrami), które jednoznacznie określają stan układu w równowadze, mówi się, że jest funkcją stanu taką, że każda zmiana energii jest określona całkowicie przez początkowe (i) i końcowe (f) Stany układu: ΔU = UF − Ui. Jednak Q i W nie są funkcjami stanu. Podobnie jak w przykładzie pękającego balonu, Gaz wewnątrz może nie wykonać żadnej pracy w osiągnięciu ostatecznego stanu rozwinięcia, lub może wykonać maksymalną pracę, rozszerzając się wewnątrz cylindra z ruchomym tłokiem, aby osiągnąć ten sam stan końcowy., Wystarczy, że zmiana energii (ΔU) pozostanie taka sama. Analogicznie, ta sama zmiana na koncie bankowym może być osiągnięta przez wiele różnych kombinacji wpłat i wypłat. Tak więc Q i w nie są funkcjami stanu, ponieważ ich wartości zależą od konkretnego procesu (lub ścieżki) łączącego te same Stany początkowe i końcowe. Tak jak bardziej sensowne jest mówienie o saldzie na koncie bankowym niż o jego zawartości depozytu lub wypłaty, sensowne jest tylko mówienie o wewnętrznej energii systemu, a nie o jego cieple lub zawartości pracy.,
z formalnego matematycznego punktu widzenia, przyrostowa zmiana dU w energii wewnętrznej jest dokładną różnicą (patrz równanie różniczkowe), podczas gdy odpowiednie przyrostowe zmiany D 'Q i d' W w cieple i pracy nie są, ponieważ określone całki tych wielkości są zależne od ścieżki. Pojęcia te mogą być wykorzystane na wielką korzyść w precyzyjnym matematycznym sformułowaniu termodynamiki (patrz poniżej właściwości i relacje termodynamiczne).,
silniki cieplne
klasycznym przykładem silnika cieplnego jest silnik parowy, chociaż wszystkie nowoczesne silniki kierują się tymi samymi zasadami. Silniki parowe działają cyklicznie, z tłokiem poruszającym się w górę iw dół raz na każdy cykl. Gorąca para wysokociśnieniowa jest przyjmowana do cylindra w pierwszej połowie każdego cyklu, a następnie może ponownie uciec w drugiej połowie. Ogólnym efektem jest pobranie ciepła Q1 generowanego przez spalanie paliwa w celu wytworzenia pary, przekształcenie jej części w pracę i odprowadzenie pozostałego ciepła Q2 do środowiska w niższej temperaturze., Absorbowana energia cieplna netto wynosi wtedy Q = Q1-Q2. Ponieważ silnik wraca do stanu początkowego, jego energia wewnętrzna U nie zmienia się (ΔU = 0). Tak więc, zgodnie z pierwszym prawem termodynamiki, praca wykonywana dla każdego pełnego cyklu musi wynosić w = Q1-Q2. Innymi słowy, praca wykonana dla każdego pełnego cyklu jest tylko różnicą między ciepłem Q1 pochłoniętym przez silnik w wysokiej temperaturze a ciepłem Q2 wyczerpanym w niższej temperaturze. Siła termodynamiki polega na tym, że wniosek ten jest całkowicie niezależny od szczegółowego mechanizmu pracy silnika., Opiera się tylko na ogólnej oszczędności energii, przy czym ciepło jest uważane za formę energii.
aby zaoszczędzić na paliwie i uniknąć zanieczyszczenia środowiska ciepłem odpadowym, silniki zostały zaprojektowane tak, aby zmaksymalizować konwersję pochłoniętego ciepła Q1 w użyteczną pracę i zminimalizować ciepło odpadowe Q2. Sprawność Carnota (η) silnika jest zdefiniowana jako stosunek W/Q1—tj. ułamek Q1, który jest przeliczany na pracę., Ponieważ w = Q1 − Q2, sprawność można również wyrazić w postaci 
(2)
Jeśli w ogóle nie było ciepła odpadowego, to Q2 = 0 i η = 1, co odpowiada 100% sprawności. Podczas gdy zmniejszenie tarcia w silniku zmniejsza ciepło odpadowe, nigdy nie można go wyeliminować; dlatego istnieje ograniczenie dotyczące tego, jak małe może być Q2, a tym samym jak duża może być sprawność. Ograniczenie to jest fundamentalnym prawem natury—w rzeczywistości drugim prawem termodynamiki(patrz niżej).