设在某一宏观过程中，某系统内能从初始状态 变化到终了状态，系统从外界吸收热量Q，同时对外做功A。实验表明，系统从外界吸收的热量等于系统内能的增量和系统对外界做功之和。这就是热力学第一定律。

(1)

上式表明系统对外界吸收的热量一部分使系统内能增加，另一部分则用来对外做功。它是能量守恒定律在涉及热现象宏观过程中的具体表述。式中，各量的SI单位皆为焦耳（J )。公式中各量正负值的规定：
　　① —— 系统内能增加，() 为正值，即() > 0；
　　　　　系统内能减少，() 为负值，即() < 0。
    　　②   Q   —— 系统从外界吸收热量，则Q 为正值，即Q > 0；
　　　　　　　　 系统向外界放热，则Q 为负值，即Q < 0。
　　③ A —— 系统对外界做功，A 为正值，即A > 0；
　　　　　　　　 外界对系统做功，A < 0（即系统对外做负功）。

　　若以 表示同一过程中外界对系统做的功，则
  　　对于任一无限小的过程（即初态与末态相距很近的过程），热力学第一定律应写为

(2)

  　　什么是第一类永动机？这种永动机不需要外界供给热量（Q = 0)，也不消耗系统内能()= 0，但却能不停地对外做功(A > 0）。显然，它违反能量守恒定律。历史上不少人曾企图制造这种机器，皆以失败而告终。
　　第一类永动机不可能制成也可做为热力学第一定律的另一种表述。

说明：
　　① 热力学第一定律适用于任何系统的任何过程。应用时，只要初态和末态是平衡态即可，中间过程所经历的各态不需要一定是平衡态。
　　②热力学第一定律给出了关于“热量”更为科学的定义：系统吸收的热量就是系统内能的增量与系统对外界做功之和。