結構生物化學/內能
在熱力學中，特定系統的總能量稱為內能。它是系統內所有能量的總和，不包括周圍環境中的能量。內能可以分為兩部分：動能和勢能。我們說內能的變化等於 ∆U，其中最終內能減去初始內能得到內能的變化，∆U。
內能是一個狀態函式，因為它的值取決於系統的當前狀態，因為它獨立於路徑。在計算內能變化時，無論透過何種過程，只要初始狀態和最終狀態相同，內能就不會不同。從工作與內能關係的角度來觀察系統的內能是另一種方法。無論是壓力或體積變化引起的機械功，都可以導致內能的變化。總體而言，隨著質量的增加，系統的內能也隨之增加，因此內能成為一個廣延性質，因為它與系統中該時刻的物質數量成正比。
內能被定義為與分子隨機無序運動相關的能量。它與宏觀有序能量（與運動物體相關的能量）在尺度上是分開的。它指的是原子和分子尺度上不可見的微觀能量。例如，放在桌子上的室溫一杯水，無論是勢能還是動能，都沒有明顯的能量。但在微觀尺度上，它是一個高速分子劇烈運動的沸騰體，以數百米每秒的速度運動。如果水被扔過房間，當我們把整體的有序大尺度運動疊加到水體上時，這種微觀能量不一定發生變化。
內能涉及微觀尺度的能量。對於理想單原子氣體，這僅僅是“硬球”型原子線性運動的平移動能，系統的行為可以用動力學理論很好地描述。然而，對於多原子氣體，也存在旋轉動能和振動動能。然後在液體和固體中，存在與分子間吸引力相關的勢能。對內能貢獻的簡化視覺化有助於理解涉及內能的相變和其他現象。
更一般地說，雖然外部能量是由於宏觀運動（系統的整體運動）或外部場，但內能是所有其他形式的能量，包括隨機運動（系統內分子之間的相對運動）和偶極矩以及應力。
每個分子都有特定的自由度數，包括平移、旋轉或振動。然而，正如能量均分定理所述，熱能的增加均勻分佈在所討論分子的自由度之間。根據能量均分定理，總能量的每個貢獻的平均能量為 ½*kT，因此對於僅包含平移的單原子氣體，方程如下所示：U_m (T)=U_m (0)+3/2 RT。當線性分子包括旋轉能量時，方程變為：U_m (T)=U_m (0)+5/2 RT。現在，對於非線性分子，包括平移和旋轉能量，方程變為：U_m (T)=U_m (0)+3RT。
假設正在研究的氣體是理想氣體，那麼內能的定義可能會改變。由於在理想氣體中絕對沒有分子間相互作用，只要分子之間的距離對能量沒有影響。那麼可以假設氣體的內能與其體積無關。
理想氣體的內能僅是溫度的函式。
理想氣體被定義為所有原子或分子之間的碰撞都是完全彈性的，並且不存在分子間吸引力的氣體。可以將其想象成一群完美的硬球，它們會碰撞但不會以其他方式相互作用。在這種氣體中，所有內能都是動能形式，任何內能變化都伴隨著溫度變化。
理想氣體可以用三個狀態變數來表徵：絕對壓力 (P)、體積 (V) 和絕對溫度 (T)。它們之間的關係可以透過動力學理論推匯出來，稱為理想氣體定律：PV=nRT
理想氣體定律可以被認為是由於氣體分子根據牛頓定律與容器壁發生碰撞而產生的動壓。但是，在確定這些分子的平均動能時，也存在統計元素。溫度被認為與這種平均動能成正比；這呼叫了動能溫度的概念。
物理化學 by Atkins and de Paula (第 9 版)