Định luật I nhiệt động học được hỡnh thành qua cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu của cỏc tỏc giả như M. V. Lomonoxob (1744), G. I. Heccer (1836), R. Majo (1842), Helmholtz (1849), Joule (1877)... Định luật I nhiệt động học được phỏt biểu như sau:
"Trong một quỏ trỡnh nếu năng lượng ở dạng này biến đi thỡ năng lượng ở dạng khỏc sẽ xuất hiện với lượng hoàn toàn tương đương với giỏ trị của năng lượng dạng ban đầu".
Định luật I nhiệt động học bao gồm hai phần:
- Phần định tớnh khẳng định năng lượng khụng mất đi mà nú chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khỏc.
- Phần định lượng khẳng định giỏ trị năng lượng vẫn được bảo toàn (tức giữ nguyờn giỏ trị khi qui đổi thành nhiệt lượng) khi chuyển từ dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khỏc. Giỏ trị năng lượng chỉ được bảo toàn khi quỏ trỡnh xảy ra là quỏ trỡnh thuận nghịch và hiệu suất của quỏ trỡnh đạt 100%. Đối với quỏ trỡnh bất thuận nghịch, hiệu suất của quỏ trỡnh nhỏ hơn 100% thỡ ngoài phần năng lượng truyền cho hệ phải cộng thờm phần năng lượng đó toả ra mụi trường xung quanh. Biểu thức toỏn học của định luật I nhiệt động học: Một hệ cụ lập ở trạng thỏi ban đầu cú nội năng U1, nếu cung cấp cho hệ một nhiệt lượng Q thỡ một phần nhiệt lượng hệ sử dụng để thực hiện cụng A, phần cũn lại làm thay đổi trạng thỏi của hệ từ trạng thỏi ban đầu cú nội năng U1 sang trạng thỏi mới cú nội năng U2 (U2 >U1). Từ nhận xột trờn ta cú biểu thức:
Q = U + A (3.1) Trong đú U = U2 - U1
Cụng thức (3.1) cú thể viết dưới dạng:
U = U1 - U1 = Q - A (3.2)
Đối với quỏ trỡnh biến đổi vụ cựng nhỏ, phương trỡnh (3.2) cú thể viết dưới dạng: dU = Q - A (3.3)
Q và A: Chỉ sự biến đổi nhiệt và cụng, là hàm số của quỏ trỡnh. Từ biểu thức (3.2), định luật I nhiệt động học cú thể phỏt biểu như sau:
"Sự biến thiờn nội năng của hệ bằng nhiệt lượng do hệ nhận được trừ đi cụng do hệ đó thực hiện".
Từ định luật I nhiệt động học dẫn đến cỏc hệ quả sau đõy:
- Nếu hệ biến đổi theo một chu trỡnh kớn (cú trạng thỏi đầu và trạng thỏi cuối trựng nhau) thỡ nội năng của hệ sẽ khụng thay đổi (U2 = U1U = 0).
- Khi cung cấp cho hệ một nhiệt lượng, nếu hệ khụng thực hiện cụng thỡ toàn bộ nhiệt lượng mà hệ nhận được sẽ làm tăng nội năng của hệ.
Theo (3.2) U = U2 - U1 = Q - A, nếu A = 0 U2 - U1 = Q. Hệ nhận nhiệt nờn Q > 0 U2 - U1 = Q > 0 U2 > U1.
- Khi khụng cung cấp nhiệt lượng cho hệ mà hệ muốn thực hiện cụng thỡ chỉ cú cỏch là làm giảm nội năng của hệ.
Theo (3.2) U = U2 - U1 = Q - A, nếu Q = 0 U2 - U1 = -A A = U1 - U2. Hệ muốn thực hiện cụng, tức A > 0
U1 - U2 > 0 U1 > U2. Sau khi thực hiện cụng (tức A > 0), nội năng của hệ đó giảm từ U1 xuống U2 nhỏ hơn.
- Hệ thực hiện theo chu trỡnh kớn, nếu khụng cung cấp nhiệt lượng cho hệ thỡ hệ sẽ khụng cú khả năng sinh cụng.
Theo (3.2) U = Q - A, nếu hệ thực hiện theo chu trỡnh kớn, theo hệ quả 1 thỡ U = 0 Q - A = 0 Q = A
Do vậy, nếu Q = 0, tức khụng cung cấp nhiệt lượng cho hệ thỡ hệ cũng khụng cú khả năng sinh cụng, tức A = 0. Hệ quả này, cú thể phỏt biểu dưới dạng: "Khụng thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại một, là loại động cơ khụng cần cung cấp năng lượng nhưng vẫn cú khả năng sinh cụng".