Первый закон термодинамики является частным случаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии, который гласит о том, что энергия не уничтожается и не создается вновь, но может при известных условиях передаваться от одного тела к другому и превращаться из одного ее вида в другой в эквивалентных количествах.

В технической термодинамике рассматриваются только процессы взаимодействия тепловой и механической энергии. Применительно к ним закон сохранения и превращения энергии называется первым законом (началом) термодинамики.

Таким образом, первый закон термодинамики определяет взаимосвязь тепловой и механической энергии; тепловая энергия может превращаться в механическую, а механическая в тепловую в эквивалентных количествах.

Принцип эквивалентности тепловой и механической энергии можно выразить формулой

Q = A W, где Q — количество тепловой энергии; A = Q/W — тепловой (термический) эквивалент механической работы; W — количество механической энергии.

В системе СИ механическая и тепловая энергия измеряются одной и той же единицей (Джоулем), поэтому А — 1, и принцип эквивалентности (равенства) между теплотой и работой выражается так: Q = W.

Для уяснения взаимосвязи между тепловой и механической энергией рассмотрим простейшую термодинамическую систему ( 1. Эта система включает в себя рабочее тело, аккумулятор тепловой энергии (тепловой аккумулятор) и аккумулятор механической энергии (механический аккумулятор). Рабочим телом может быть газ или пар, имеющий определенную внутреннюю энергию U.

Аккумуляторы тепловой и механической энергии, взаимодействуя с рабочим телом, могут аккумулировать энергию соответствующего вида или отдавать ее. Запасы тепловой и механической энергии в аккумуляторах соответственно равны Q и W.

Согласно закону сохранения энергии общий запас энергии рассматриваемой изолированной термодинамической системы при любых преобразованиях остается постоянным и, следовательно, AQ + AU + AW = 0.

Выражение называют основным уравнением первого закона термодинамики. Оно показывает, что при любых энергетических процессах алгебраическая сумма изменений запасов энергии тел, входящих в изолированную систему, равна нулю. Если под AQ понимать не изменение запаса энергии в тепловом аккумуляторе, а количество теплоты, подводимой к рабочему телу или отводимой от него, и учесть, что знаки AQ по отношению к тепловому аккумулятору и по отношению к рабочему телу всегда противоположны, то уравнение первого закона термодинамики примет вид AQ = AU + AW.

Рассмотрим одно из возможных превращений и перераспределений энергии. Допустим, что температура теплового аккумулятора выше температуры рабочего тела. Тогда к рабочему телу будет подводиться теплота от теплового аккумулятора, и запас энергии в этом аккумуляторе уменьшается, т. е. AQ < 0.

Пусть за счет подвода теплоты происходит увеличение объема (расширение) рабочего тела, вследствие чего рабочее тело будет совершать работу. При этом запас энергии в механическом аккумуляторе увеличится, т. е. AW > 0.

Внутренняя энергия рабочего тела в зависимости от соотношения между AQ и AW может увеличиваться (AU > , уменьшаться (AU <  или оставаться постоянной (AU = . При AU > 0 энергия теплового аккумулятора расходуется частично на увеличение внутренней энергии рабочего тела и частично на возрастание энергии механического аккумулятора;

при AU < 0 энергия механического аккумулятора увеличится как за счет уменьшения энергии теплового аккумулятора, так и за счет снижения внутренней энергии рабочего тела;

при АН = 0 возрастание энергии механического аккумулятора происходит только за счет уменьшения энергии теплового аккумулятора.