První termodynamický zákon

V praxi existuje málo dějů, při nichž těleso přijímá nebo odevzdává teplo jen tepelnou výměnou nebo konáním práce. Běžnější jsou děje, při nichž dochází k odevzdávání nebo přijímání tepla oběma způsoby. (Jestliže např. plyn stlačujeme pístem a zároveň zahříváme teplejším tělesem, přijímá plyn teplo současně oběma způsoby.)

Lze tedy formulovat první termodynamický zákon (první větu termodynamickou):

Přírůstek vnitřní energie soustavy  se pak rovná součtu práce W vykonané okolními tělesy působícími na soustavu určitými silami a tepla Q odevzdaného okolními tělesy soustavě, tedy: .

Jiná formulace říká téhož zákona:

Nelze sestrojit perpetum mobile prvního druhu.

Perpetum mobile prvního druhu je periodicky pracující stroj, který by během jednoho cyklu vykonal větší práci než je přijatá energie.

Tepelnou výměnou a konáním práce může daná soustava:

1.     přijímat energii - práce vykonaná okolními tělesy působícími na soustavu silami i teplo přijaté soustavou jsou veličiny kladné, tj.  a

2.     odevzdávat energii - v tom případě považujeme práci vykonanou soustavou a teplo dodané okolním tělesům za veličiny záporné, tj.  a

Změna vnitřní energie  je kladná, jestliže se vnitřní energie soustavy zvětšila, v opačném případě je vnitřní energie soustavy záporná.

Z prvního termodynamického zákona vyplývají dva zvláštní případy změny vnitřní energie: změna vnitřní energie konáním práce a změna vnitřní energie tepelnou výměnou:

1.      - pak dostáváme , tj. změna vnitřní energie je dána prací vykonanou silovým působením okolních těles. Děj, při němž neprobíhá tepelná výměna mezi soustavou a okolím (tedy vnitřní energie se mění jen konáním práce), se nazývá adiabatický děj.

2.      - dostáváme , tj. při ději, při němž se mění vnitřní energie jen tepelnou výměnou, se změna vnitřní energie soustavy rovná teplu, které soustava přijala (resp. odevzdala).

Místo práce W, kterou vykonají okolní tělesa působící silou na zvolenou soustavu pro určité dráze, bývá často výhodnější uvažovat práci , kterou vykoná soustava tím, že působí na okolní tělesa po stejné dráze silou opačného směru. Podle zákona akce a reakce platí:  a první termodynamický zákon pak dostáváme ve tvaru  čili : teplo dodané soustavě se rovná součtu přírůstku její vnitřní energie  a práci , kterou soustava vykoná. Jestliže soustava konáním práce odevzdává energii okolním tělesům, je  a .

Jednoduše si lze pamatovat první termodynamický zákon pomocí vaření brambor, těstovin, rýže, polévky, … v hrnci zakrytém pokličkou: sporák dodává hrnci teplo Q, čímž se jednak zvyšuje vnitřní energie obsahu hrnce (tedy roste U, tj. ) a zároveň může pára uvnitř hrnce začít nadzvedávat pokličku - tj. pára koná práci . Tedy platí .