열역학 제 1법칙은 에너지 보존에 관한 법칙이다. 즉 제 1법칙은
"에너지는 그 형태를 달리 할 수는 있으나, 없어지지는 않는다"
는 법칙이다.
예를 들어, 왼쪽 그림과 같은 피스톤의 내부를 생각해보자. 이 시스템(하늘색 부분)의
내부 에너지는 외부에서 일을 한 만큼 증가하며, 외부에 일을 한 만큼 감소하고, 외부로부터
받은 열만큼 증가하며, 외부로 내보낸 열만큼 감소한다. 이 말은 일 에너지건 열
에너지건 간에 외부로부터 가해지는 에너지는 모두 내부에너지로 집적되며, 내부 에너지는
다시 일 에너지 또는 열에너지의 형태로 외부로 발산될 수 있음을 나타내는 것이다. 즉,
일에너지와 열에너지는 그 형태가 서로 다르지만 같이 내부 에너지로 보존되며, 그
반대도 정확하게 성립한다는 말이다.
지금까지 살펴본 이 시스템의 내부 에너지 변화를 수식으로 표현해 보자.
만일 외부 압력이 P로 일정하다면, 내부 에너지 변화는 다음과 같다:
위 식을 미소 변화량에 관한 식으로 바꾸면 아래와 같다
dU = dQ - PdV. (3-1)
엔트로피(entropy; S)는 시스템의 혼란도
또는 무질서의 정도를 나타내는 열역학 함수인데, 이 엔트로피는 다음 식에 의해서
정의된다:
dS = dQ/T. (3-2)
(3-2)식을 (3-1)식에 대입해서 다시 쓰면,
dU = TdS - PdV. (3-3)
엔탈피(enthalpy; H)는 일정한 압력하에서
들고 나는 열량을 기술하는 열역학 함수로서 다음과 같이 정의된다.
예를 들어, 왼쪽 그림과 같은 피스톤의 내부를 생각해보자. 이 시스템(하늘색 부분)의
내부 에너지는 외부에서 일을 한 만큼 증가하며, 외부에 일을 한 만큼 감소하고, 외부로부터
받은 열만큼 증가하며, 외부로 내보낸 열만큼 감소한다. 이 말은 일 에너지건 열
에너지건 간에 외부로부터 가해지는 에너지는 모두 내부에너지로 집적되며, 내부 에너지는
다시 일 에너지 또는 열에너지의 형태로 외부로 발산될 수 있음을 나타내는 것이다. 즉,
일에너지와 열에너지는 그 형태가 서로 다르지만 같이 내부 에너지로 보존되며, 그
반대도 정확하게 성립한다는 말이다.