自然界中存在各種形式的能量，能量不能被創(chuàng)造，也不能被消滅，只能相互轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換時(shí)數(shù)量上守恒。這是人們?cè)陂L期的實(shí)踐和精確的實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出來的自然界的普遍規(guī)律——能量守恒與轉(zhuǎn)換定律。
熱力學(xué)第一定律可以表達(dá)為： 當(dāng)熱能與機(jī)械能和其它形式的能量相互轉(zhuǎn)換時(shí)，能的總量保持不變。
對(duì)于任意熱力學(xué)系統(tǒng)，各項(xiàng)能量之間的平衡關(guān)系可表達(dá)為：
輸入系統(tǒng)的能量 — 系統(tǒng)輸出的能量 = 系統(tǒng)中儲(chǔ)存能量的變化量
根據(jù)上式，我們將能量分為傳遞中的能量和系統(tǒng)中儲(chǔ)存的能量兩大類。傳遞中的能量，即通過系統(tǒng)邊界傳遞的能量為功和熱量兩種，它們不是系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，而是過程函數(shù)；系統(tǒng)中儲(chǔ)存的能量，從宏觀上來看，當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)一定時(shí)，系統(tǒng)儲(chǔ)存的能量就有一個(gè)確定的數(shù)值，因而是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)。在工程熱力學(xué)中，將系統(tǒng)儲(chǔ)存的能量分為兩大類：一類是以系統(tǒng)外部參照系來描述的能量，如系統(tǒng)作整體運(yùn)動(dòng)時(shí)所具有的動(dòng)能和重力勢能；另一類是以系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)和其它微觀運(yùn)動(dòng)模式所確定的能量，這就是內(nèi)能，它是由系統(tǒng)本身的熱力狀態(tài)參數(shù)唯一確定的。
一）、熱量
系統(tǒng)與外界由于存在溫差而通過邊界傳遞的能量稱為熱量。習(xí)慣上，規(guī)定系統(tǒng)從熱源吸熱為正值，系統(tǒng)向熱源放熱為負(fù)值。熱量是傳遞中的能量，它只有通過邊界傳遞時(shí)才出現(xiàn)，一旦通過了邊界，它便轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)或外界的能量。因此，不能說系統(tǒng)“具有”多少能量。傳遞熱量的驅(qū)動(dòng)力是溫差，熱量總是自發(fā)地從高溫處傳遞到低溫處。因?yàn)闇囟仁俏矬w內(nèi)部分子和原子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度的量度，所以，熱量是不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的能量傳遞方式。
二）、容積功
封閉系統(tǒng)中的工質(zhì)容積改變時(shí)通過邊界與外界交換的功稱為容積功，用w表示。單位質(zhì)量的功稱為比功，用w表示。按習(xí)慣，規(guī)定系統(tǒng)對(duì)外做功為正值，而外界對(duì)系統(tǒng)做功為負(fù)值。與熱量類似，功也是傳遞中的能量，它只有在傳遞過程中才出現(xiàn)，一旦這種傳遞中的能量通過了系統(tǒng)邊界，它便轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)或外界的能量。因此，我們不能說系統(tǒng)“具有”多少功。 作功的驅(qū)動(dòng)力是壓力差，功是規(guī)則運(yùn)動(dòng)下的能量傳遞量。
三）、封閉系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律
如圖1所示，取氣缸中質(zhì)量為mkg的工質(zhì)為封閉系統(tǒng)，其外界為熱源和功源。熱源給系統(tǒng)的加熱量q為輸入的能量，系統(tǒng)對(duì)功源作的膨脹功w為系統(tǒng)輸出的能量，系統(tǒng)內(nèi)能的變化量為 δu=u2-u1 ，則為系統(tǒng)中儲(chǔ)存能量的變化量。
圖1封閉系統(tǒng)與外界的能量轉(zhuǎn)換
根據(jù)熱力學(xué)第一定律可得：q-w=δu或者說q=δu+w
對(duì)于單位質(zhì)量工質(zhì)的封閉系統(tǒng)，則有：q=δu+w
對(duì)于一個(gè)微元過程，則有：dq=du+dw
以上三式為封閉系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律的三種一般表達(dá)式。
公式中的量都是代數(shù)值，若
q>0表示熱源對(duì)系統(tǒng)加熱
q<0表示系統(tǒng)向熱源放熱
δu >0表示系統(tǒng)比內(nèi)能增加
δu <0表示系統(tǒng)比內(nèi)能減少
w >0表示系統(tǒng)對(duì)功源作功
w <0表示功源對(duì)系統(tǒng)作功
以上三式是由普遍適用的能量轉(zhuǎn)換和守恒定律直接應(yīng)用于封閉系統(tǒng)而導(dǎo)出的，所以適用于任何工質(zhì)和任何過程。
對(duì)于可逆過程，因?yàn)椋苑忾]系統(tǒng)可逆過程熱力學(xué)第一定律可表述為
例1容器中裝有一定質(zhì)量的熱水，熱水向周圍大氣放出熱量10kj，同時(shí)功源通過攪拌器熱水作功15kj，試問熱水內(nèi)能變化量為多少？
解：取熱水為封閉系統(tǒng)，由熱力學(xué)第一定律可得：
因系統(tǒng)向外放熱為負(fù)，
外界對(duì)系統(tǒng)作功為負(fù)，
所以
可見，熱水內(nèi)能的增加量為5kj ，從這個(gè)簡單的例子可以看出，判斷系統(tǒng)內(nèi)能的變化，不能只看見系統(tǒng)與外界的熱量交換或系統(tǒng)與外界的功交換，而應(yīng)看兩者的綜合結(jié)果。