Víme, že soustava může energii přijat (odevzdat) sdílením tepla a konáním práce. V přírodě se však oba jevy doplňují a většinou probíhají současně. První termodynamický zákon* počítá s oběmi možnostmi:

Teplo dodané soustavě se spotřebuje na vzrůst její vnitřní energie a na práci vykonanou na vnějších tělesech.

Jiné vyjádření může mít tvar:

Přírůstek vnitřní energie soustavy je roven součtu tepla přijatého soustavou a vykonané práce.

Matematická podoba prvního termodynamického zákona vypadá následovně:

kde Q je teplo přijaté soustavou, D U je změna vnitřní energie a W  je práce vykonaná soustavou.

V některé literatuře je matematické vyjádření prvního termodynamického zákona DU = Q + W. Zde W   je práce vykonaná na soustavě!

Pomocí prvního termodynamického zákona se dá ukázat, že je nemožné sestrojit perpetuum mobile prvního druhu. Nemůžeme sestrojit stroj, který by vykonával při cyklickém ději práci a přitom by na okolí nedocházelo ke změnám. Pokud je těleso na začátku a konci cyklu ve stejném stavu, je celková změna vnitřní energie nulová. Toto tvrzení se ostatně dá jednoduše dokázat.

* Někdy první termodynamický zákon je nazýván jako první termodynamický princip.Uvedený termín vyjadřuje, že tento zákon patří mezi nejobecnější zákony. Platí nejen pro tepelné děje, ale i pro mechanické, elektrické, magnetické, elektromagnetick, optické a další děje. Ve staré literatuře ho někdy nalezneme pod označením "první věta termodynamiky". Uvedený název vznikl nesprávným překladem z němčiny.