熱力學第壹定律是普遍的能量守恒和轉化定律在壹切涉及宏觀熱現象過程中的具體表現。熱力學第壹定律確認，任意過程中系統從周圍介質吸收的熱量、對介質所做的功和系統內能增量之間在數量上守恒。
熱力學第壹定律確認：任何系統中存在單值的態函數——內能，孤立系統的內能恒定。壹個物體的內能是當物體靜止時，組成該物體的微觀粒子無規則熱運動動能以及它們之間的相互作用勢能的總和。宏觀定義內能的實驗基礎是，系統在相同初終態間所做的絕熱功數值都相等，與路徑無關。由此可見，絕熱過程中外界對系統所做的功只與系統的某個函數在初終態之間的改變有關，與路徑無關。這個態函數就是內能。它可通過系統對外界所做的絕熱功As加以定義：U2－U1=－As，式中的負號表示對外做功為正功。功的單位是焦耳。在壹個純粹的熱傳遞過程中，可用系統的內能改變來定義熱量及其數值，即Q=U2－U1，這裏定義系統吸熱為正（Q大於0）。熱量的單位也是焦耳。
壹般情況下熱力學第壹定律可表述為：系統由初態出發經任意過程到達終態，內能的增量ΔU等於在此過程中外界對系統所傳遞的熱量Q和系統對外所作的功A之差。數學表達式可寫為：
ΔU=U2－U1=Q－A或Q=ΔU+A
其中規定：系統吸熱Q>0，系統放熱Q<0；系統對外做功A>0，外界對系統做功A<0；系統內能增加ΔU>0，系統內能減少ΔU<0。把上式應用於相差無窮小的兩狀態間發生的微元過程，可得熱力學第壹定律的微分形式：
δQ=dU+δA
式中的dU是內能的全微分；δQ和δA分別表示微元過程中傳遞的微熱量和對外所做的微功，它們都不是全微分。
熱力學第壹定律還可表述為第壹類永動機（壹種能不斷自動做功而無須消耗任何燃料和能源的機器）是做不成的。當系統是開放的，它和介質之間不僅有熱的和機械的相互作用，還有物質交換，則熱力學第壹定律的表述中還應增加壹項因物質交換引起的能量的增量或減量。