Внутренняя энергия термодинамической системы изменяется за счет совершения над телом работы и сообщения ему количества теплоты . Соверщение работы сопровождается перемещением внешних тел, воздействующих на систему. Так как, например, внутреннюю энергию газа можно изменить вдвигая поршень в цилиндр с газом. Поршень перемещаясь совершает над газом работу . По третьему закону Ньютона газ совершает работу над поршнем =-.
Сообщение газу количества теплоты не связано с перемещением внешних тел, то есть макроскопической работой. В этом случае молекулы более нагретого тела совершают работу над молекулами менее нагретого тела.
Совокупность микроскопических процессов захватывающих не все тело, а отдельные его молекулы, приводящих к передаче энергии от тела к телу, носит название теплопередачи.
Количество энергии, переданной от тела к телу посредством теплопередачи, называется количеством теплоты.
Изменение внутренней энергии системы равно
(1)
и - начальное и конечное значение внутренней энергии системы. Обычно вместо работы, совершаемой над системой, рассматривают работу, совершаемую системой над внешним телом, то есть =-. Тогда
(2)
- количество теплоты, сообщенной системе, идет на приращение внутренней энергии и работу системы над внешними телами.
Это не означает, что теплота всегда идет на увеличение внутренней энергии. Бывает, что > . В этом случае , то есть работа совершается за счет и убыли внутренней энергии. Если , то система не получает тепло, а отдает.
Из (2) следует, что измеряется в тех же единицах, что и и , то есть в Джоулях.
Для бесконечно малых изменений систем уравнение (2) можно заменить на дифференциальное
,
- является полным дифференциалом, то есть изменение его зависит от начального и конечного состояний и не зависит от пути, по которому совершается переход; и зависят от пути перехода системы от одного состояния к другому и не являются полными дифференциалами и функциями состояния. При круговом процессе . Тогда , то есть нельзя построить периодически действующий двигатель, который совершал бы работу, большую, чем сообщенное ему количество теплоты . То есть невозможен вечный двигатель первого рода.