Изменение внутренней энергии системы происходит в результате двух процессов: совершения работы () над системой внешними телами и передачей системе теплоты.

Совершение работы связано с перемещением внешних тел, действующих на систему (например, движение поршня в цилиндре). Сообщение газу тепла связано с движением микрочастиц – молекул. Более быстрые молекулы нагретого тела передают свою энергию медленным молекулам холодного тела, т.е. совершается теплопередача.

Теплотой называется количество энергии, переданное системе в процессе теплопередачи. Приращение внутренней энергии тела () равно сумме работы (), совершаемой над системой внешними телами и переданного ей тепла (Q):

.

По третьему закону Ньютона, если поршень совершает над газом работу , то газ совершает над поршнем работу: .Поэтому можно написать выражение

.                                                    (8.2)

Уравнение (8.2) называется первым началом термодинамики. Сущность первого начала термодинамики: теплота, сообщенная системе, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение ею работы над внешними телами.

В дифференциальной форме уравнение (8.2) имеет вид:

.                                                  (8.3)

При этом внутренняя энергия U = f(T) является функцией состояния, а работа (А) и теплота (Q) – функциями перехода. Они характеризуют не состояние, а процесс.

Если система периодически возвращается в первоначальное состояние, то изменение внутренней энергии равно нулю () и согласно первому началу термодинамики: Q=A. Это означает невозможность вечного двигателя первого рода, то есть такого периодически действующего двигателя, который совершал бы работы больше, чем сообщается ему энергия извне.