在說熱力學第一定律之前，可先回顧一下前面曾提到過的熱力學第零定律，具體可參考「溫度和溫標」。這裡再複述一次它的內容如下：
如果兩個系統分別與第三個系統達到熱平衡，那麼這兩個系統彼此之間也必定處於熱平衡。
這個定律說明，所有達到熱平衡的熱力學系統，都存在一個共同的熱學性質，因為它們都和某一共同的熱力學系統達到熱平衡。這個共同的熱學性質，被定義為溫度。這樣一來，溫度這個物理量，與熱力學系統的熱平衡狀態唯一地確定，是熱力學系統的狀態參量之一。
如果一個熱力學系統，由狀態1經某一過程到達狀態2，那麼系統的溫度改變為
這與系統經歷怎樣的過程無關。
這就好比質點的位移，只與質點的初、末位置有關，而與質點經歷怎樣的過程無關。
又好比質點在某個力場中的勢能，由質點在力場中的位置唯一地確定。當質點在力場中移動時，勢能的改變與過程無關，只取決於質點的初、末位置。
而某一質點的動能，也只取決於質點的質量與速率，與質點獲得這一質量與速率的途徑無關。
前文曾說，物體中所有分子無規則運動的動能和分子勢能之和叫做物體的內能（可參考「分子動理論的基本內容（2）」）。既然動能與勢能都和狀態有關，而與經歷怎樣的過程到達這一狀態無關，那麼，這樣不就可以推知，一個物體的內能，也是與物體的狀態有關，而與它經歷怎樣的過程到達這一狀態無關嗎？
事實上正是如此！
只是需要注意，在熱學中，我們始終研究的是大量分子表現出的統計規律，而不可以也無必要研究組成物質的每個分子的運動規律。對於某一物體，其所有分子無規則運動的平均動能在宏觀上體現為溫度（詳見「理想氣體壓強與溫度的初步微觀解釋」，這裡強調一下該結論對其他物體同樣成立），所有分子的勢能與物體在宏觀上的體積有關（因為勢能是位置的函數，分子勢能取決於分子間相對位置）。而溫度與體積，是熱力學系統的兩個狀態參量，與系統所處的平衡態有關。由此可知，一個熱力學系統的內能與物體的狀態有關，而與這一系統經歷怎樣的過程到達該狀態無關。
由此可知，一個熱力學系統的溫度或體積改變，會引起系統內能的改變。
系統體積的改變，是通過做功來實現的。因為力學中的功，被定義為力與位移的標量積，而熱力學系統中各部分的位移，會引起體積的改變。
回顧一下「功能原理與能量守恆定律」的內容，對某一質點系而言，外力做功等於質點系的總能量的增量。這一原理可以擴展至熱力學系統，因為一個熱力學系統，在經典物理的框架下，也可看作大量的分子組成的質點系，只不過，這個「質點系」內各個「質點」的動能和勢能之和已被我們定義為內能。那麼，我們可以這樣表述了：對於某一熱力學系統，外力做功等於系統內能的增量。
當然，這要在系統溫度不變的前提下【註：嚴格來說這種表述不準確，準確表述不是系統的溫度不變，而是該過程為絕熱過程（adiabaticprocess），即系統在該過程不與外界發生熱交換。】。因為這樣才使得系統內能的改變只由體積的改變引起。假如情況正好相反，系統的體積不變而溫度改變，那麼系統的內能也會改變，此時系統內能的增量等於外界對系統傳遞的熱量（heat）。
「熱量」一詞，記得前邊已出現過了，那時沒有對其作過多的說明。實際上，最初人們發現冷熱程度不同的物體接觸後，熱的物體會變冷，冷的物體會變熱，這時就已引入了熱量的概念，認為在這樣的過程中有「熱量」從高溫物體傳遞給低溫物體。現在，我們已根據熱力學第零定律定義了溫度，進而得知當兩個熱力學系統導熱接觸，且兩者間有溫度差時，會有熱量從溫度較高的物體傳遞給溫度較低的物體，若無外界影響，最終這兩個系統會達到熱平衡，有相同的溫度，並不再有熱量的傳遞。有了內能的定義，我們就可以給熱量一個定量化的表述了。如前所述，當一個熱力學系統的體積不變（沒有外力做功）時，系統內能的增量等於外界對系統傳遞的熱量。
一般地，系統內能的改變，是做功與熱傳遞共同的結果，兩種方式對改變內能而言是等效的。故可把（1）（2）兩式放在一起，即
這就是熱力學第一定律（first law of thermodynamics）。它可以表述為：一個熱力學系統的內能增量等於外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。
熱力學第一定律涉及的是內能與其他形式能相互轉化的過程。有人認為熱力學第一定律就是能量守恆定律，原因在於歷史上內能的轉化規律發現以後，能量守恆定律才真正建立起來。實際上熱力學第一定律的範圍比普遍的能量守恆定律窄一些。能量守恆定律不是由某一個人通過某一項研究得到的，它是逐漸形成的，是自然科學長期發展和進步的結果。目前公認對能量守恆定律的發現貢獻最大的人分別是英國物理學家焦耳（J.P. Joule）、德國醫生邁耶（Mayer）以及德國生理學家、物理學家亥姆霍茲（H. von Helmholtz）。
這裡還需要說明一點。對於熱力學系統，力學的相互作用往往指的是廣義的力學相互作用。在一個極小的過程中，廣義力的元功可以表達為
【註：廣延量和強度量在前文曾經提及，可參考「理想氣體的狀態方程」。】
晶體在熔化過程中溫度保持不變，卻要持續吸熱。假如在此過程中沒有外力做功，根據熱力學第一定律顯然其內能要增加。內能是溫度與體積的函數，溫度不變，難道晶體熔化過程中體積發生了改變嗎？實際上確是如此。當物質發生相變時，其體積會發生躍變。而晶體的熔化過程，實際上正是其每一部分的體積發生躍變的過程。
本段結束。