Ο πρώτος θερμοδυναμικός νόμος αποτελεί μια έκφραση της αρχής διατήρησης της ενέργειας, δηλαδή του γεγονότος ότι σε ένα απομονωμένο σύστημα η ενέργεια ούτε καταστρέφεται ούτε δημιουργείται εκ του μηδενός, αλλά μετατρέπεται από τη μια μορφή σε μια άλλη. Ο πρώτος νόμος μπορεί να διατυπωθεί ως εξής:

Το ποσό θερμότητας (Q) που απορροφά ή αποβάλλει ένα θερμοδυναμικό σύστημα είναι ίσο με το αλγεβρικό άθροισμα της μεταβολής της εσωτερικής του ενέργειας και του έργου που παράγει ή δαπανά το σύστημα.

Η μαθηματική διατύπωση του πρώτου θερμοδυναμικού νόμου είναι:

${\displaystyle \Delta \ {U}=Q-W}$

όπου U είναι η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας του συστήματος που μελετούμε, ${\displaystyle W}$ το έργο (που μπορεί να είναι μηχανικό, ηλεκτρικό, μαγνητικό, κτλ.) που παράγεται από το σύστημα και ${\displaystyle Q}$ το ποσό της θερμότητας που απορροφά το σύστημα από το περιβάλλον του. Στις μαθηματικές εκφράσεις της Θερμοδυναμικής καθοριστικό ρόλο παίζουν τα πρόσημα των ποσοτήτων που χρησιμοποιούνται. Έτσι, σύμφωνα με τις συνηθισμένες συμβάσεις που ακολουθούνται, τα πρόσημα έχουν ως εξής:

• Όσον αφορά το έργο W, λαμβάνεται με θετικό πρόσημο όταν το έργο παράγεται από το υπό μελέτη σύστημα, ενώ λαμβάνεται με αρνητικό πρόσημο όταν παράγεται από τις εξωτερικές δυνάμεις που επιδρούν πάνω στο σύστημα.
• Όσον αφορά τη θερμότητα Q, λαμβάνεται με θετικό πρόσημο όταν απορροφάται από το σύστημα, ενώ λαμβάνεται με αρνητικό πρόσημο όταν εκλύεται από το σύστημα στο περιβάλλον.