Termodinamiğin birinci yasası, enerjinin niceliği ile ilgili enerji korunumu yasasıdır.Termodinamiğin
birinci yasasını, hem kapalı sistemler hem de kontrol hacimleri için nasıl yazabileceğimizi görerek
karşımıza çıkacak herhangi bir sistemin çözümlemesini yapabileceğiz. Bunun için sistem farklılıklarına ve analitik ifadelere dikkat etmeliyiz.

Çevrim, bildiğimiz gibi, peş peşe hal değişimlerinden sonra sistemin ilk haline geri gelmesi şeklindeki bir işlemdir. Sistemin başladığı noktaya geri gelebilmesi için hal değişimleri sırasında ısı ve iş alışverişi olması gerekir. Şekil 4.1’de bir buhar güç santralindeki çevrim görülmektedir.

Çevrim için birinci yasa, "çevrim yapan bir sistemde net ısı alışverişi net işe eşittir."

Bir sistemin her zaman çevrim olacak şekilde hal değişimine uğraması söz konusu değildir. Sistemin tek bir hal değişimi için birinci yasayı “Sistemin sınırlarını iş ve ısı olarak geçen net enerji, sistemin enerjisindeki net değişime eşittir” olarak ifade edebiliriz.

Q-W = ?E  Burada Q sisteme aktarılan ısıyı, W sistemin yaptığı işi ve ?E ise sistemin hal değişimi sırasında enerjisindeki değişimi göstermektedir. Sistemin enerjisi E, sistemin verilen haldeki tüm enerjilerini temsil eder. Ayrıca sistemin sahip olduğu kimyasal ve elektriksel enerjiler gibi terimlerde toplam enerjiye eklenebilir. E enerjisi ile ilgili en önemli husus enerjinin bir özelik olmasıdır, yani E yalnızca sistemin bulunduğu hale bağlıdır. Birinci yasa bir bakıma özelik olarak enerjinin tanımlanmasını sağlar.

Kontrol hacmi uzayda incelemek üzere dikkate aldığımız, sınırlarından kütle akışına izin veren belli bir geometrik şekle sahip olması gerekmeyen, şekli ve büyüklüğü tamamen analize uygun seçilebilen bir hacimdir. Kontrol yüzeyini kütle ve tüm enerjiler geçebilir. Zamanla kontrol hacmi içinde kütle ve enerji miktarı değişebileceği düşünülerek, zamana bağlı iki temel akış rejimi tarif edilir: sürekli rejim ve geçici rejim.

Bir kontrol hacminde kütle korunumu prensibi “kontrol hacmine giren ve çıkan kütleler arasındaki fark kontrol hacmi içindeki kütlenin değişimine eşittir” şeklinde söylenir

[giren ısı]+[giren kütlenin akış enerjisi] = [enerjideki değişim] + [çıkan kütlenin akış enerjisi]
+ [yapılan iş]

SÜREKLİ REJİM: Sistemler, başlatılma ve durdurulma devreleri arasında kalan zaman zarfında sürekli rejimde çalışırlar. Sürekli rejimde özelikler zamanla değişmez, her birim zamanda sınırlardan geçen ısı, iş ve kütle miktarı sabittir. En sık karşımıza çıkacak sürekli rejiminde bir kontrol hacminin birinci yasa analizini yapmak istersek hem kütle korunumu hem de enerji korunumu denklemini yazmamız gerekir. Termodinamikte bu tip akışlı işlemler, Sürekli-Akışlı Sürekli-Açık işlemler ya da kısaca SASA işlemi diye anılır.

Sürekli Rejimde Enerji Korunumu Yasası: Rejim sürekli olduğunda kontrol hacmine giren ve çıkan
enerjilerde her bir birim zamanda değişmeden aynı kalıyor demektir.

Kısılma: Bir kanal içinden akış sırasında eğer akışkan ani bir kesit daralmasıyla karşılaşırsa basınç düşer. Kesit daralmasının hemen etrafında bir kontrol hacmi düşünürsek, iş ve ısı geçişinin olmadığı, kinetik ve potansiyel enerji değişimlerinin göz ardı edilebileceği bir durumla karşılaşırız.Basıncın düştüğü busırada entalpinin sabit kaldığı bu özel işlem kısılma adı ile anılır. Kısılma, özellikle soğutma ve ısıtma çevrimlerinde, basınç düşümü sağlamak için isteyerek uygulanan bir işlemdir

Uygulamada geçici rejim problemleri sistemler ilk çalıştırılmaları ya da durdurulmaları sırasında, bir kaptaki akışkanın boşaltılması ya da kabın doldurulması sırasında karşımıza çıkar. Termodinamikte bu tip akışlı işlemler için, Düzgün-Akışlı Dengeli-Açık (DADA) işlemi yaklaşımı yapılır. DADA işleminde sistemin ilk ve son halleri ile enerji geçişlerinin toplam miktarı esas alınır.

Geçici Rejimde Kütle Korunumu Yasası: DADA işlemlerinde kontrol hacmindeki kütle miktarı da
zamanla değişecektir. Bu durumda, kontrol hacmindeki kütlelerin ilk (1) ve son (2) anında
miktarı dikkate alarak bir yaklaşım yapıyoruz.Birden çok giriş ve çıkış yapan kütle akışı söz konusu olduğunda her biri için bir mi ve/veya me terimi ekleriz.

Tersinir İşlem ve Carnot Çevrimi: Tersinir işlem, çevrede hiçbir tesir bırakmayacak şekilde tamamen tersine işletilebilen işlemdir. Bu tanımdaki “çevrede hiçbir tesir bırakmayarak” deyimi çok önemlidir. Gerçek işlemlerde sürtünme, kimyasal işlemler, yanma, karışım, gazların karışımı, genişleme, ısı geçişi gibi sebeplerden hiçbir olayın tamamen tersine işletilmesi yani tersinir olabilmesi mümkün değildir. Bir pastanın yapımı bir çok malzemenin karıştırılması ve bir pişirme işlemi içerir. Pasta elde edildikten sonra tekrar malzemeleri eski haliyle elde etme yani tersine
işlem olanağı yoktur. İşlem tersimezdir. Aynı şekilde gördüğünüz kaza geçirmiş arabanın tekrar hiç
kazasız haline dönmesi mümkün değildir. Kaza sırasında can kaybıda olmuşsa, tersinmezliğin anlamını çok kolay fark edebiliriz. Gerçek işlemlerin “çevrede hiçbir tesir bırakmayarak” tersine işletilmesi gerçekleştirilemez. Tamamen tersine işletilebilen işlemler gerçek hayatımızda yoktur. Tersinir işlemleri referans olarak kullanabiliriz. Örneğin bütün işlemleri tersinir olan bir tersinir çevrim tanımlanarak çevrimler için bir üst sınır bulunabilir. Böylece gerçek ısı makineleri ve soğutma makinelerinin ikinci yasaya göre ne kadar iyi oldukları tespit edilir. Bu referans çevrim ise Carnot çevrimi’dir.

Bir enerji kaynağının sahip olduğu iş potansiyelini bilirsek, bu enerji kaynağından mümkün olduğunca çok yararlanabilir ya da yararlanmak için yeni yöntemler geliştirebiliriz. En büyük iş elbette bir sistemin tersinir hal değiştirmesiyle elde edilebilir. Bir sistemin bulunduğu halden tamamen tersinir şekilde çevre ile dengeye gelinceye kadar yani ölü hale kadar hal değiştirmesi sağlanırsa sistem en büyük teorik yararlı işi yapmış olur. Buna kullanılabilirlik ya da ekserji adı verilir.

Sistem çevre ile dengeye gelecek şekilde hal değiştirirse, yani son hal ölü hal olursa, sistemin tersinir işi en büyük olacaktır. Ölü halde artık hız sıfır (V0=0) ve sistemin çevreye göre yüksekliği de (Z0=0) sıfır olacaktır. Diğer taraftan kapalı sistemin yaptığı işi bulurken, hareketli sistem sınırı olması halinde bu sınırın çevreye karşı yaptığı ve bizim yararlanamadığımız işte dikkate alınır.

Bir kontrol hacminin ekserji analizini yaparken ilk olarak kütle akışlarına ilişkin ekserji ifadelerine gerek duyarız. Kontrol hacmine kütle akışı nedeniyle aktarılan ekserji, kütlenin taşıdığı ekserji ve akış işinin ekserjisinin toplamına eşittir, buna kısaca akış ekserjisi denilir.

Bir sistemin nitelik olarak değerlendirilmesinde, ikinci yasa ve ekserji tanımlarından yararlanılarak verim ifadeleri kullanılır. İkinci yasa verimi hesaplandığında; bir enerji kaynağının, bir santralin, bir ısı makinesinin yada soğutucunun en iyi olmaktan ne kadar uzak olduğunu anlarız.

Basıncı ve sıcaklığı çevrenin basıncına ve sıcaklığına eşit olan sisteme ölü haldedir denir. Ölü halde
bulunan sistemin ve çevrenin enerjileri vardır fakat ekserji sıfırdır. Yani ölü haldeki sistemden bir iş elde edilmesi olanağı yoktur.

Ekserji bir özeliktir. Ekserji korunmaz, sistem içinde hal değişimi sırasındaki tersinmezliklerden dolayı yıkıma uğrar.