自然界中存在各种形式的能量，能量不能被创造，也不能被消灭，只能相互转换，在转换时数量上守恒。这是人们在长期的实践和精确的实验中总结出来的自然界的普遍规律——能量守恒与转换定律。
热力学第一定律可以表达为： 当热能与机械能和其它形式的能量相互转换时，能的总量保持不变。
对于任意热力学系统，各项能量之间的平衡关系可表达为：
输入系统的能量 — 系统输出的能量 = 系统中储存能量的变化量
根据上式，我们将能量分为传递中的能量和系统中储存的能量两大类。传递中的能量，即通过系统边界传递的能量为功和热量两种，它们不是系统的状态参数，而是过程函数；系统中储存的能量，从宏观上来看，当系统状态一定时，系统储存的能量就有一个确定的数值，因而是一个状态参数。在工程热力学中，将系统储存的能量分为两大类：一类是以系统外部参照系来描述的能量，如系统作整体运动时所具有的动能和重力势能；另一类是以系统内工质的分子运动和其它微观运动模式所确定的能量，这就是内能，它是由系统本身的热力状态参数唯一确定的。
一）、热量
系统与外界由于存在温差而通过边界传递的能量称为热量。习惯上，规定系统从热源吸热为正值，系统向热源放热为负值。热量是传递中的能量，它只有通过边界传递时才出现，一旦通过了边界，它便转化为系统或外界的能量。因此，不能说系统“具有”多少能量。传递热量的驱动力是温差，热量总是自发地从高温处传递到低温处。因为温度是物体内部分子和原子不规则热运动剧烈程度的量度，所以，热量是不规则热运动的能量传递方式。
二）、容积功
封闭系统中的工质容积改变时通过边界与外界交换的功称为容积功，用W表示。单位质量的功称为比功，用w表示。按习惯，规定系统对外做功为正值，而外界对系统做功为负值。与热量类似，功也是传递中的能量，它只有在传递过程中才出现，一旦这种传递中的能量通过了系统边界，它便转换成系统或外界的能量。因此，我们不能说系统“具有”多少功。 作功的驱动力是压力差，功是规则运动下的能量传递量。
三）、封闭系统的热力学第一定律
如图1所示，取气缸中质量为mkg的工质为封闭系统，其外界为热源和功源。热源给系统的加热量Q为输入的能量，系统对功源作的膨胀功W为系统输出的能量，系统内能的变化量为 ΔU=U2-U1 ，则为系统中储存能量的变化量。
图1封闭系统与外界的能量转换
根据热力学第一定律可得：Q-W=ΔU或者说Q=ΔU+W
对于单位质量工质的封闭系统，则有：q=Δu+w
对于一个微元过程，则有：dq=du+dw
以上三式为封闭系统热力学第一定律的三种一般表达式。
公式中的量都是代数值，若
q>0表示热源对系统加热
q<0表示系统向热源放热
Δu >0表示系统比内能增加
Δu <0表示系统比内能减少
w >0表示系统对功源作功
w <0表示功源对系统作功
以上三式是由普遍适用的能量转换和守恒定律直接应用于封闭系统而导出的，所以适用于任何工质和任何过程。
对于可逆过程，因为
，所以封闭系统可逆过程热力学第一定律可表述为
例1容器中装有一定质量的热水，热水向周围大气放出热量10KJ，同时功源通过搅拌器热水作功15KJ，试问热水内能变化量为多少？
解：取热水为封闭系统，由热力学第一定律可得：
因系统向外放热为负，
外界对系统作功为负，
所以
可见，热水内能的增加量为5KJ ，从这个简单的例子可以看出，判断系统内能的变化，不能只看见系统与外界的热量交换或系统与外界的功交换，而应看两者的综合结果。