Prvi zakon termodinamike poznat je i kao zakon održanja energije. Navodi da se energija ne može uništiti ili stvoriti; on je konzerviran u svemiru i mora negdje završiti, čak i ako promijeni oblike. Uključuje proučavanje rada sustava, topline i energije. Toplinski strojevi često potiču raspravu o prvom zakonu termodinamike; međutim, smatra se jednim od najosnovnijih zakona prirode.
Nakon što se ljudi udube u proučavanje prvog zakona termodinamike, odmah počinju analizirati i računati jednadžbu povezanu sa zakonom: ΔU = Q – W. Ova jednadžba znači da je promjena unutarnje energije sustava jednaka toplini dodano sustavu manje posla koji sustav obavlja. Alternativno, ponekad se koristi jednadžba ΔU = Q + W. Jedina razlika je u tome što se izračunava rad na sustavu, umjesto rada koji obavlja sustav. Drugim riječima, rad je pozitivan kada sustav radi na svom okolnom sustavu i negativan kada okolina radi na sustavu.
Kod proučavanja fizike postoji uobičajen primjer koji uključuje dodavanje topline plinu u zatvorenom sustavu. Primjer se nastavlja širenjem tog plina tako da radi. Može se vizualizirati kao klip koji gura prema dolje ili vrši pritisak na plinove u motoru s unutarnjim izgaranjem. Dakle, posao obavlja sustav. Alternativno, kada se proučavaju kemijski procesi i reakcije, tipično je proučavanje uvjeta u kojima se radi na sustavu.
Standardna jedinica za izračun prvog zakona termodinamike je Joules (J); međutim, mnogi ljudi koji proučavaju pravo također rade svoje izračune u smislu kalorija ili britanske termalne jedinice (BTU). Ponekad je korisno izračunati očuvanje sa stvarnim brojevima, što omogućuje ljudima da vide kako zakon funkcionira. Ako motor radi 4,000 J oko sebe, unutarnja energija se smanjuje za 4,000 J. Ako također oslobađa 5,000 J topline dok radi, tada se unutarnja energija smanjuje za dodatnih 5,000 J. Kao rezultat, unutarnja energija energija sustava smanjuje se za ukupno -9,000 J.
U alternativnom proračunu, ako sustav izvrši 4,000 J rada na svojoj okolini, a zatim apsorbira 5,000 J topline iz svoje okoline, rezultat je drugačiji. U tom slučaju ulazi 5,000 J energije i izlazi 4,000 J energije. Dakle, ukupna unutarnja energija sustava iznosi 1,000 J.
Konačno, negativan rad ili rad okoline na sustavu može se ilustrirati kroz proračune koji se odnose na prvi zakon termodinamike. Na primjer, ako sustav apsorbira 4,000 J dok okolina istovremeno izvodi 5,000 J ili radi na sustavu, vidjet će se drugi rezultat. Budući da sve energije teku u sustav, ukupna unutarnja energija skače do 9,000 J.