termodynamikens lagar är bedrägligt enkla att ange, men de är långtgående i deras konsekvenser. Den första lagen hävdar att om värme erkänns som en form av energi, bevaras den totala energin hos ett system plus dess omgivning; med andra ord förblir universums totala energi konstant.
den första lagen sätts i handling genom att överväga flödet av energi över gränsen som skiljer ett system från omgivningen., Tänk på det klassiska exemplet på en gas som är innesluten i en cylinder med en rörlig kolv. Cylinderns väggar fungerar som gränsen som skiljer gasen inuti från världen utanför, och den rörliga kolven ger en mekanism för att gasen ska fungera genom att expandera mot kraften som håller kolven (antas friktionsfri) på plats. Om gasen fungerar W när den expanderar och / eller absorberar värme Q från omgivningen genom cylinderns väggar, motsvarar detta ett nettoflöde av energi w − Q över gränsen till omgivningen., För att bevara den totala energin U måste det finnas en motbalanseringsändring ΔU = Q − W (1) i gasens inre energi. Den första lagen ger ett slags strikt energiredovisningssystem där förändringen i energikontot (ΔU) motsvarar skillnaden mellan inlåning (Q) och uttag (W).
det finns en viktig skillnad mellan mängden ΔU och tillhörande energimängder Q och W., Eftersom den interna energin U kännetecknas helt av de kvantiteter (eller parametrar) som unikt bestämmer systemets tillstånd vid jämvikt, sägs det vara en statlig funktion så att någon förändring av energi bestäms helt av systemets initiala (i) och slutliga (f) tillstånd: ΔU = Uf − Ui. Q och W är dock inte statliga funktioner. Precis som i exemplet med en sprängballong, kan gasen inuti göra något arbete alls för att nå sitt slutliga expanderade tillstånd, eller det kan göra maximalt arbete genom att expandera inuti en cylinder med en rörlig kolv för att nå samma slutliga tillstånd., Allt som krävs är att förändringen i energi (ΔU) förblir densamma. I analogi kan samma förändring av sitt bankkonto uppnås genom många olika kombinationer av insättningar och uttag. Således är Q och W inte statliga funktioner, eftersom deras värden beror på den specifika processen (eller sökvägen) som förbinder samma initiala och slutliga tillstånd. Precis som det är mer meningsfullt att tala om saldot på ett bankkonto än dess insättnings-eller uttagsinnehåll, är det bara meningsfullt att tala om systemets interna energi och inte dess värme-eller arbetsinnehåll.,
från en formell matematisk synvinkel är den inkrementella förändringen dU i den interna energin en exakt differential (se differentialekvation), medan motsvarande inkrementella förändringar d ’Q och d’ W i värme och arbete inte är, eftersom de bestämda integralerna av dessa kvantiteter är banberoende. Dessa begrepp kan användas till stor fördel i en exakt matematisk formulering av termodynamik (se nedan termodynamiska egenskaper och relationer).,
värmemotorer
det klassiska exemplet på en värmemotor är en ångmotor, även om alla moderna motorer följer samma principer. Ångmotorer fungerar på ett cykliskt sätt, med kolven rör sig upp och ner en gång för varje cykel. Varm högtrycksånga släpps in i cylindern under första halvan av varje cykel, och sedan får man fly igen under andra halvåret. Den totala effekten är att ta värme Q1 som genereras genom att bränna ett bränsle för att göra ånga, konvertera en del av det för att göra arbete och uttömma den återstående värmen Q2 till miljön vid en lägre temperatur., Den nettovärmeenergi som absorberas är då Q = Q1-Q2. Eftersom motorn återgår till sitt ursprungliga tillstånd ändras inte dess interna energi U (ΔU = 0). Således, enligt termodynamikens första lag, måste arbetet för varje fullständig cykel vara W = Q1-Q2. Med andra ord är det arbete som utförs för varje komplett cykel bara skillnaden mellan värmen Q1 absorberad av motorn vid hög temperatur och värmen Q2 utmattad vid en lägre temperatur. Termodynamikens kraft är att denna slutsats är helt oberoende av motorns detaljerade arbetsmekanism., Den bygger endast på det övergripande energibesparingen, med värme som betraktas som en form av energi.
för att spara pengar på bränsle och undvika att förorena miljön med spillvärme, är motorer utformade för att maximera omvandlingen av absorberad värme Q1 till användbart arbete och för att minimera spillvärme Q2. En Motors Carnot—effektivitet (η) definieras som förhållandet W/Q1-dvs fraktionen av Q1 som omvandlas till arbete., Eftersom w = Q1 − Q2 kan effektiviteten också uttryckas i formen 
(2)
om det inte fanns någon spillvärme alls, då Q2 = 0 och η = 1, vilket motsvarar 100 procent effektivitet. Samtidigt minska friktionen i en motor minskar spillvärme, det kan aldrig elimineras; därför finns det en gräns för hur liten Q2 kan vara och därmed på hur stor effektiviteten kan vara. Denna begränsning är en grundläggande naturlag—i själva verket termodynamikens andra lag (se nedan).