3.2. A termodinamika első főtétele

A termodinamika első főtétele szerint egy rendszer belső energiáját kétféle módon lehet megváltoztatni: munkavégzéssel (w), vagy hőközléssel (q): ΔU = q + w. Ez a megállapítás tapasztalaton alapul. Izolált rendszerben egyik sem történhet, és ezzel kapcsolatban belátható, hogy az izolált rendszer belső energiája nem változik. Ez valójában nem más, mint az energia megmaradásának (szintén tapasztalaton alapuló) elve.

Az első főtétel mutatja a hő és a munka egyenértékűségét is. A hő és a munka ugyanannak az értéknek (az energiának) két különböző valutája. A munka és hő az energiaátadás különböző formái. Mint láttuk, az egy értelmezhető kérdés, hogy egy rendszernek mekkora a belsőenergiája. Az azonban értelmetlen kérdés, hogy egy rendszernek mekkora a „hőtartalma” vagy a „munkatartalma”. A munka és a hő mindig energia „változás közben”. Ennek megfelelően a hő és a munka nem állapotfüggvények! Ugyanazt a belső energia változást végtelenül sokféle q és w összege eredményezheti!

Bár erről már korábban is esett szó, alapvető jelentőségű a termodinamikában bevezetett előjel-konvenció, amely az energiacserét a rendszer belső energia változásának tükrében értékeli. A munka pozitív előjelű (w > 0), ha a környezet végez munkát a rendszeren, illetve a hő pozitív előjelű, (q > 0), ha a környezet közöl hőt a rendszerrel. Ezekben az esetekben ugyanis az energiaátadás növeli a rendszer belsőenergiáját. Ennek megfelelően a munka negatív előjelű, (w < 0), ha a rendszer végez munkát a környezeten, illetve a hő negatív előjelű (q < 0), ha a rendszer közöl hőt a környezettel. Ezekben az esetekben ugyanis a rendszer belsőenergiája csökken.