Banyak pembangkit listrik dan mesin beroperasi dengan mengubah energi panas menjadi kerja. Alasannya adalah bahwa gas yang dipanaskan dapat bekerja pada turbin mekanis atau piston, yang menyebabkannya keduanya bergerak. Hukum pertama termodinamika menerapkan prinsip konservasi energi ke sistem dimana perpindahan panas dan kerja yang dilakukan adalah metode untuk mentransfer energi masuk dan keluar dari sistem. Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa perubahan energi internal suatu sistem \ Delta ΔU, sama dengan perpindahan panas netto ke dalam sistem Q, ditambah kerja bersih yang dilakukan pada sistem W. Dalam bentuk persamaan, hukum pertama termodinamika adalah,
ΔU=Q+W
Disini, ΔU adalah perubahan energi dalam U dari sistem. Q adalah panas netto yang ditransfer kedalam sistem. Dimana Q adalah jumlah semua panas yang ditransfer ke dalam dan keluar dari sistem. W adalah kerja netto yang dilakukan pada sistem.
Jadi, panas Q positif menambahkan energi pada sistem dan kerja positif W menambahkan energi pada sistem. Inilah mengapa hukum pertama termodinamika mengambil bentuk rumus diatas tersebut, yakni ΔU=Q+W. Sederhananya dapat dikatakan bahwa anda dapat menambahkan energi internal dengan memanaskan sistem atau melakukan kerja pada sistem.
Apa makna dari istilah2 berikut (ΔU,Q,W)?
Tidak ada contoh yang pas dari hukum termodinamika sebaik dari gas (udara atau helium) yang terjebak dalam wadah dengan piston yang bergerak sepanjang wadah tersebut (sebagaimana terlihat pada gambar dibawah). Kita akan menganggap piston dapat bergerak ke atas dan ke bawah, mengkompresi gas atau membiarkan gas berekpansi (tapi tidak ada gas yang diizinkan lolos/hilang dari wadah tersebut).
Molekul2 gas yang terjebak dalam wadah adalah sistem. Molekul2 gas itu memiliki energi kinetik.
Energi dalam U dari sistem dapat dianggap sebagai jumlah semua energi kinetik molekul gas masing2nya. Oleh karenanya, jika temperatur gas T meningkat, laju molekul juga naik dan energi dalam U dari gas juga naik (dimana berarti ΔU adalah positif). Demikian pula, jika temperatur gas T turun, molekul2 gas juga turun dan energi dalam U dari gas juga menurun (yang berarti ΔU adalah negatif).
Sangat penting untuk diingat bahwa energi dalam U dan temperatur T akan meningkat ketika laju molekul2 gas meningkat, karena keduanya adalah parameter untuk mengukur hal yang sama yakni seberapa besar (banyak) energi yang ada dalam sistem. Sebab temperatur dan energi dalam adalah sebanding (proporsional). Jika energi dalam berlipat dua kali lipat, temperatur juga menjadi dua kali lipat. Demikian pula, jika temperatur tidak berubah, energi dalam juga tidak berubah.
Satu cara dimana kita dapat menaikkan energi dalam U (demikian pula temperatur) dari gas adalah dengan mentransfer panas Q ke dalam gas. Kita dapat melakukan hal ini dengan menempatkan wadah di atas kompor Bunser atau menenggelamkannya dalam air mendidih. Lingkungan bertemperatur tinggi kemudian akan menkonduksikan panas secara termal melalui dinding wadah dan masuk ke gas, menyebabkan molekul2 gas bergerak lebih cepat. Jika panas masuk ke gas, Q akan menjadi bilangan positif. Sebaliknya, kita dapat menurunkan energi dalam dari gas dengan mentransfer panas ke luar dari gas. Kita dapat melakukan ini dengan menempatkan wadah tersebut dalam bak es. Jika panas keluar dari gas, Q akan menjadi bilangan negatif. Konvensi (perubahan) tanda untuk panas Q ini diilustrasikan dalam gambar dibawah ini:
Karena piston dapat bergerak, piston dapat melakukan kerja pada gas dengan menggerakkan ke bawah dan mengkompresi gas. Tumbukan piston yang bergerak ke bawah dengan molekul gas menyebabkan molekul gas bergerak cepat, menaikkan energi dalam total. Jika gas dikompres, kerja yang dilakukan pada gas W adalah bilangan positif. Sebaliknya, jika gas berekspansi dan mendorong piston ke atas, kerja dilakukan oleh gas. Tumbukan molekul2 gas dengan piston menyebabkan molekul2 gas melambat sehingga menurunkan energi dalam gas. Jika gas berekspansi (mengembang), kerja dilakukan pada gas W adalah bilangan negatif. Perubahan tanda untuk kerja W ini disajikan dalam gambar dibawah: