含義
微觀定義
從微觀上說，系統内能是構成系統的所有分子無規則運動動能、分子間相互作用勢能、分子内部以及原子核内部各種形式能量的總和 。後面兩項在大多物理過程中不變，因此一般隻需要考慮前兩項，二者的總和就是通常所指的内能。但在涉及電子的激發、電離的物理過程中或發生化學反應時分子内部（不包括原子核内部）的能量将大幅變化，此時内能中必須考慮分子内部的能量。核内部能量僅在核物理過程中才會變化，因此絕大多數情形下，都不需要考慮這一部分的能量。内能的絕對量（主要是其中的核内部能量部分）還不完全清楚，但不影響解決一般問題，對于内能我們常常關心的是其變化量。
宏觀定義
抛開物質内部的結構細節，從宏觀上說，内能是與系統在絕熱條件下做功量相聯系的，描述系統本身能量的一種狀态函數。内能的宏觀定義式為：ΔU=Wa，其中ΔU為内能的變化量，Wa為絕熱過程外界對系統的做功量。在宏觀定義中，内能是一個相對量。
内能是系統的一種狀态函數（簡稱态函數），即内能可以表達為系統的某些狀态參量（例如壓強、體積等）的某種特定的函數，函數的具體形式取決于具體的物質系統（具體地說，取決于物态方程）。當系統處于某一平衡态時，系統的一切狀态參量将取得定值，内能作為這些狀态參量的特定函數也将取得定值（盡管還不清楚它的絕對數值是多少）。
對于一定量物質構成的系統，通過做功、熱傳遞與外界交換能量，引起系統狀态變化，而導緻内能改變，其間的關系由熱力學第一定律給出。對于不存在宏觀動能變化的系統，則有ΔU=W+Q，其中ΔU為内能的變化量，W為外界對系統的做功量，Q為系統（從外界）的吸熱量，該式稱為熱力學第一定律的常用表達式。内能的概念建立在焦耳等人大量精密的熱功當量實驗的基礎之上。能量和内能概念的建立标志着能量轉化與守恒定律（即熱力學第一定律）的真正确立。
分類
狹義内能
在一般的物理問題中（不涉及電子的激發電離，化學反應和核反應），内能中僅分子動能和勢能兩部分會發生改變，此時我們隻關心這兩部分，而将這兩部分之和定義為内能。這是一種簡化的定義，即狹義内能。在涉及電子的激發電離，化學反應和核反應時，為不引起誤解狹義内能應嚴格稱為熱力學能（以前稱為熱能，熱能這一概念在一些工程領域内仍廣泛使用）。
廣義内能
在不涉及核反應的物理過程或化學過程中，原子核内部的能量不會改變，此時可以将内能定義為熱力學能與電子能之和。
最廣義的内能就是物體或系統内部一切微觀粒子的一切運動形式所具有的能量總和。即熱力學能、電子能與原子核内部能量之和。
性質
内能是物體、系統的一種固有屬性，即一切物體或系統都具有内能，不依賴于外界是否存在、外界是否對系統有影響。内能是一種廣延量（或容量性質），即其它因素不變時，内能的大小與物質的數量（物質的量或質量）成正比。
當系統發生某一變化，從原先的平衡态過渡到另一個新的平衡态時，内能的變化量僅取決于變化前後的系統狀态，而與這個變化是如何發生的（例如變化的快慢）以及變化經曆了怎樣曲折的過程（例如是經曆一個等溫過程、等壓過程還是一個任意過程）完全無關。内能的這一性質和功、熱量有着本質的區别。
功和熱量都是系統與外界之間交換的能量，或者說系統（從外界）吸收或放出（給外界）的能量。一旦系統對外界做了功或傳了熱，這部分能量就不再是系統的能量（即不再是系統内能的一部分），而是變成外界物體的能量（構成外界物體内能或動能的一部分）。系統隻存在或含有内能（内能的存在不依賴于外界），不存在熱量或功（離開外界和系統的相互作用，談不上熱量和功）。僅當系統在外界（外力或溫差）的作用下，系統内能中的一部分以功或熱量這兩種能量形式傳給外界（或反之）。功和熱量的大小，不僅取決于系統變化前後的狀态，還取決于變化的每一細節過程。
變化途徑
（1）做功可以改變物體的内能。（如鑽木取火）
當外力對物體做正功時，物體内能增大，反之亦反。
（2）熱傳遞可以改變物體的内能。（如放置冰塊使物體降溫）
熱傳遞的三種形式：熱傳導，熱對流（一般見于氣體和液體）以及熱輻射。熱傳遞的條件是物體間必須有溫度差。
相關拓展
分子的動能
包括分子的平動能、轉動能和振動動能（分子的振動同時具有振動勢能，一般将振動動能和振動勢能統稱為振動能）。
分子内部的能量
分子（包括一般所指的分子、原子和離子，見前文注）内部的能量主要取決于電子的能量和核内部的能量。核内部的能量僅在核物理過程中發生變化，因此在其它一切情形時，都可以認為分子内部的能量主要就是電子的能量。更準确地說包括了電子的動能，電子和核的引力勢能，電子和電子間的斥力勢能（單電子原子、離子或分子不存在該能），核與核間的斥力勢能（不存在化學鍵的孤立原子不存在該能）。
分子間的相互作用勢能
該種勢能來源于分子間的引力和斥力。分子間力又稱範德華力，廣義的分子間力還包括氫鍵力等分子間特殊作用力。分子間力本質上都是電磁力，其大小、正負（即表現為引力還是斥力）由分子的偶極矩和分子間的距離所決定。由于電子的運動是随機的，因此分子的偶極矩的大小和方向也是随機的，從而分子間引力和斥力同時存在并不斷變化（化學鍵力本質上也是電磁力，但存在于分子内部，并且大小比分子間力大1-2個數量級）。
