**החוק הראשון של התרמודינמיקה** הוא הכללה של חוק שימור האנרגיה שמוסיפה את האפשרות של שינוי באנרגיה של מערכת דרך מעבר חום אליה או ממנה, ולא רק דרך עבודה. בכך הוא מאפשר הרחבה של מושג שימור האנרגיה מתחום 
המכניקה הרגילה לתחום התרמודינמיקה.

מבחינה אינטואיטיבית, החוק אומר שאנרגיה של מערכת מורכבת מהחום שאגור בתוכה ומהיכולת שלה לבצע עבודה. כלומר, באופן בסיסי בטבע, אנרגיה יכולה לבוא לידי ביטוי בצורות של חום או עבודה בלבד ולכן על מנת לחשב את האנרגיה של מערכת יש לסכום שני גדלים שונים אלה.

ניסוח פורמלי
------------

הניסוח הפורמלי של החוק נתון על ידי:

{\displaystyle \ \Delta U=Q-W}
כאשר {\displaystyle U} היא האנרגיה הפנימית של המערכת, {\displaystyle W} 
העבודה שהמערכת ביצעה על הסביבה ו- {\displaystyle Q} 
החום שזרם לתוך המערכת.

עבור שינויים אינפיניטיסמאליים החוק נכתב בצורה:

{\displaystyle \ dU=\delta Q-\delta W},
הסימון {\displaystyle \delta } מעיד שהשינויים בחום ובעבודה אינם ביטויים המהווים דיפרנציאל שלם, משום שהחום והעבודה אינן פונקציות מצב של המערכת, התלויות רק במצב הנוכחי של המערכת.

בתהליכים הפיכים אפשר לכתוב את החוק בצורה:

{\displaystyle \ dU=TdS-PdV},
כאשר {\displaystyle T} היא הטמפרטורה, {\displaystyle S} האנטרופיה, {\displaystyle P} הלחץ ו-{\displaystyle V} הנפח.

עבודה
-----

הביטוי לעבודה שנעשתה על המערכת הוא {\displaystyle \ \delta W=-PdV}. ניתן לקבל ביטוי זה על ידי חישוב הגידול בנפח של מערכת לכיוון אחד במרחק {\displaystyle dx}, כנגד לחץ {\displaystyle P}, כאשר שטח המגע בין המערכת לבין הסביבה הוא {\displaystyle A}. במקרה זה העבודה האינפיטיסימאלית שהמערכת מבצעת היא: 

{\displaystyle \delta W\_{sys\rightarrow sur}=F\cdot dx=PA\cdot {\frac {dV}{A}}=PdV}.
העבודה שמתבצעת על המערכת שווה בגודלה והפוכה בסימנה לעבודה שהמערכת מבצעת, ולכן הביטוי המתקבל הוא: {\displaystyle \ \delta W=-PdV}.  

ניתן להסביר אינטואיטיבית את הערך השלילי של העבודה בכך שכשהמערכת מגדילה את הנפח, הכוח שמופעל עליה פועל נגד כיוון ההתפשטות שלה, ואילו כאשר נפח המערכת קטן, הכוח שמופעל עליה פועל עם כיוון ההתכווצות. לכן הסימן של העבודה שמתבצעת על המערכת יהיה תמיד הפוך לסימן של ההתפשטות: כאשר המערכת מתפשטת נקבל עבודה שלילית, וכאשר היא מתכווצת נקבל עבודה חיובית.

חום
---

 ערך מורחב – **חום (פיזיקה)**  

הביטוי לחום שנכנס למערכת הוא {\displaystyle \delta Q=TdS}.  

{\displaystyle \delta Q} אינו דיפרנציאל שלם, כלומר הגודל {\displaystyle Q} אינו פונקציית מצב, ולכן היה צורך למצוא גודל שהוא כן פונקציית מצב ושעבורו יהיה אפשר לכתוב דיפרנציאל. לשם כך נטבע מושג האנטרופיה.  

הסימן הוא חיובי, שכן כאשר זורם חום למערכת, גדלה האנטרופיה שלו.

איברים נוספים
-------------

איבר נוסף שנכנס לחוק לעיתים קשור באפשרות להוצאת או הוספת חלקיקים למערכת. איבר זה הוא 
{\displaystyle \sum \_{i}\mu \_{i}dN\_{i}\,\!}, כאשר {\displaystyle N\_{i}} הוא מספר החלקיקים מסוג {\displaystyle i} במערכת, ו{\displaystyle \mu \_{i}} הוא הפוטנציאל הכימי עבור סוג זה, כך שאפשר לכתוב את החוק כ:
{\displaystyle \ dU=TdS-PdV+\sum \_{i}\mu \_{i}dN\_{i}}.

  


| תרמודינמיקה |
| --- |
| חוקי יסוד | חוקי שימור (החומר, האנרגיה) • חוקי התרמודינמיקה: אפס, ראשון, שני (ראו גם: תנועה נצחית, השד של מקסוול), שלישי |
| קבועים | קבוע הגזים • קבוע בולצמן • קבוע אבוגדרו • קבוע פלאנק |
| משתנים | אינטנסיבים (טמפרטורה, לחץ, פוטנציאל כימי) • אקסטנסיבים (אנטרופיה, נפח, מספר חלקיקים) • משוואת מצב |
| יחידות מידה | טמפרטורה (צלזיוס, קלווין, יח' אחרות) • נפח (ליטר, מטר מעוקב) • לחץ (בר, אטמוספירה, פסקל) • מספר חלקיקים (מול) • אנרגיה (ג'אול, קלוריה) |
| אפיון | הפיכות • שינוי האנתלפיה (תהליך אקסותרמי, תהליך אנדותרמי) • שינוי באנרגיה (תהליך ספונטני, תהליך מאולץ) • תהליך (איזוברי, איזותרמי, איזוכורי, אדיאבטי, איזנטרופי, איזואנתלפי) |
| פוטנציאלים תרמודינמיים | אנרגיה פנימית • אנתלפיה • האנרגיה החופשית של הלמהולץ • האנרגיה החופשית של גיבס |
| מצבי צבירה ומעברי פאזות | מצבי צבירה (מוצק, נוזל, גז) • מעברי פאזות (התכה, התאדות, המראה, התעבות, הקפאה) • נקודת התכה • נקודת רתיחה • נקודה משולשת • נקודה קריטית • דיאגרמת פאזות • משוואת קלאוזיוס-קלפרון • חוק הפאזות של גיבס |
| גזים | גז אידיאלי • גז ואן דר ואלס • התאוריה הקינטית של הגזים • לחץ חלקי • חוק ראול • מודל דלטון • חוק בויל-מריוט • חוק גה-ליסאק • חוק שארל• משוואת הגז האידיאלי |
| חום וטמפרטורה | האפס המוחלט • יח' מידה לטמפרטורה • שיווי משקל תרמודינמי • קיבול חום • יחס קיבולי החום • חום כמוס • חוק הס • קלורימטר • אפקט ג'ול-תומסון • הסעת חום • מוליכות חום • מעבר חום • קרינה תרמית • קשר מאייר • האינדקס האדיאבטי |
| מעגלי עבודה | מעגלים תרמודינמיים (קרנו, סטרלינג, ברייטון, אריקסון, רנקין, סטירלינג, דיזל, לנואר, אוטו, היגרוסקופי, סקודירי, סטודרד) • נצילות |
| יישומים | מכונות חום • מנועים • משאבות • משאבת חום • מחליף חום • מיזוג אוויר • מקרר • קירור תרמואלקטרי • תחנות כוח |
| מונחים נוספים | תאוריית הקלוריק • תנועה בראונית • פונקציית מצב • תרמודינמיקה סטטיסטית • קשרי מקסוול • תרמוכימיה |
| דמויות בולטות | דניאל ברנולי (1700–1782) • בנג'מין תומפסון (1753–1814) • סאדי קרנו (1796–1832) • אמיל קלפרון (1799–1874) • רוברט מאייר (1814–1878) • ג'יימס ג'ול (1818–1889) • ויליאם ג'ון מקורן רנקין (1820–1872) • הרמן פון הלמהולץ (1821–1894) • רודולף קלאוזיוס (1822–1888) • ויליאם תומסון (1824–1907) • ג'יימס קלרק מקסוול (1831–1879) • יוהנס דידריק ואן דר ואלס (1837–1923) • ג'וסיה וילארד גיבס (1839–1903) • לודוויג בולצמן (1844–1906) • מקס פלאנק (1858–1947) • פייר דוהם (1861–1916) • קונסטנטין קרתיאודורי (1873–1950) • לארס אונסגר (1903–1976) |