Der erste Hauptsatz der Thermodynamik ist auch als Energieerhaltungssatz bekannt. Es besagt, dass Energie nicht zerstört oder erzeugt werden kann; es ist im Universum konserviert und muss irgendwo landen, auch wenn es seine Form ändert. Es beinhaltet das Studium von Systemarbeit, Wärme und Energie. Wärmekraftmaschinen führen oft zu einer Diskussion des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik; es gilt jedoch als eines der grundlegendsten Naturgesetze.
Sobald die Leute sich mit dem Studium des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik beschäftigen, beginnen sie sofort, die mit dem Gesetz verbundene Gleichung zu analysieren und zu berechnen: ΔU = Q – W. Diese Gleichung bedeutet, dass die Änderung der inneren Energie des Systems gleich der Wärme ist dem System hinzugefügt, abzüglich der vom System geleisteten Arbeit. Alternativ wird manchmal die Gleichung ΔU = Q + W verwendet. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die auf dem System geleistete Arbeit berechnet wird, anstatt die vom System geleistete Arbeit. Mit anderen Worten, Arbeit ist positiv, wenn das System an seinem umgebenden System arbeitet, und negativ, wenn die Umgebung an dem System arbeitet.
Im Physikstudium gibt es ein übliches Beispiel, bei dem einem Gas in einem geschlossenen System Wärme zugeführt wird. Das Beispiel wird fortgesetzt, indem dieses Gas expandiert wird, damit es funktioniert. Es kann als ein Kolben visualisiert werden, der Gase in einem Verbrennungsmotor nach unten drückt oder Druck ausübt. Somit wird die Arbeit vom System erledigt. Bei der Untersuchung chemischer Prozesse und Reaktionen ist es alternativ typisch, die Bedingungen zu untersuchen, bei denen am System gearbeitet wird.
Die Standardeinheit für die Berechnung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik ist Joule (J); Viele Jurastudierende rechnen aber auch mit Kalorien oder der British Thermal Unit (BTU). Manchmal ist es hilfreich, die Erhaltung mit tatsächlichen Zahlen zu berechnen, damit die Leute sehen können, wie das Gesetz funktioniert. Verrichtet ein Motor 4,000 J Arbeit an seiner Umgebung, verringert sich die innere Energie um 4,000 J. Gibt er während des Betriebs zusätzlich 5,000 J Wärme ab, dann verringert sich die innere Energie um weitere 5,000 J Die Energie des Systems sinkt um insgesamt -9,000 J.
In einer alternativen Berechnung, wenn ein System 4,000 J Arbeit an seiner Umgebung verrichtet und dann 5,000 J Wärme aus seiner Umgebung aufnimmt, sieht das Ergebnis anders aus. In diesem Fall gehen 5,000 J Energie hinein und 4,000 J Energie gehen aus. Somit beträgt die gesamte innere Energie des Systems 1,000 J.
Schließlich können auch negative Arbeiten oder Arbeiten der Umgebung am System durch Berechnungen zum ersten Hauptsatz der Thermodynamik veranschaulicht werden. Wenn das System beispielsweise 4,000 J aufnimmt, während die Umgebung gleichzeitig 5,000 J leistet oder am System arbeitet, wird ein anderes Ergebnis sichtbar. Da alle Energien in das System fließen, springt die gesamte innere Energie auf bis zu 9,000 J.