在任何過程中能量不會自生自滅，只能從一種形式轉化為另一種形式，在轉化過程中能量的總值不變，這就是能量守恒定律，又稱為能量守恒與轉化定律。
將能量守恒定律應用于熱力學中即稱為熱力學第一定律。在化學熱力學中，研究的是宏觀靜止系統(tǒng)，不考慮系統(tǒng)整體運動的動能和系統(tǒng)在外力場（如電磁場、離心力場等）中的位能，只著眼于系統(tǒng)的內能（又稱熱力學能）。內能是指系統(tǒng)內分子的平動能、轉動能、振動能，分子間勢能，原子間鍵能，電子運動能，核內基本粒子間核能等能量的總和。
設想系統(tǒng)由始態(tài)（內能為U1）變?yōu)榻K態(tài)（內能為U2），若在過程中，系統(tǒng)從環(huán)境吸熱Q，對環(huán)境做功W，則封閉系統(tǒng)內能的變化是ΔU=U2-U1=Q-W 這就是熱力學第一定律的數學表達式。它表示封閉系統(tǒng)中系統(tǒng)內能的增量等于系統(tǒng)所吸的熱減去系統(tǒng)對環(huán)境所做的功。
內能既是系統(tǒng)內部能量的總和，所以是系統(tǒng)自身的性質，只決定于其狀態(tài)，是系統(tǒng)狀態(tài)的函數。系統(tǒng)處于一定的狀態(tài)，其內能應有一定的數值，其變化量只決定于系統(tǒng)的始態(tài)和終態(tài)，而與變化的途徑無關。即它具有狀態(tài)函數的三個特點：①狀態(tài)一定，其值一定；②殊途同歸，值變相等；③周而復始，值變?yōu)榱恪?/font>由于物質結構的復雜性和內部微觀粒子相互作用的多樣性，系統(tǒng)物質內能的絕對值尚無法確定，但內能的變化量可以通過系統(tǒng)與環(huán)境交換的熱和功來確定。熱力學正是通過狀態(tài)函數的變化量來解決實際問題的。系統(tǒng)與環(huán)境之間由于存在溫度差而交換的能量稱為熱。系統(tǒng)吸熱，Q為正值；系統(tǒng)放熱，Q為負值。Q的SI單位為J。
系統(tǒng)與環(huán)境間除熱以外的其他形式傳遞的能量都叫做功。以符號W表示，SI單位為J。系統(tǒng)對環(huán)境作功時，W取正值；環(huán)境對系統(tǒng)作功時，W取負值。熱力學中將功分為體積功和非體積功兩類。由氣體體積的膨脹或壓縮所做的功稱為體積功（或膨脹功）。體積功對于化學過程有特殊意義，因為許多化學反應常在敞口容器中進行。如果外壓p不變，這時的體積功為pΔV。非體積功有多種，如電功、表面功、機械功、摩擦功等。功和熱都是過程中被傳遞的能量，它們都不是狀態(tài)函數，其數值與途徑有關。但要注意：根據熱力學第一定律，它們的總量（Q-W）與狀態(tài)函數內能的改變量相等，只由過程的始態(tài)和終態(tài)決定，而與過程的具體途徑無關。