热力学系统的热运动能量.广义地说,内能是由系统内部状况决定的能量.热力学系统由大量分子、原子组成,储存在系统内部的能量是全部微观粒子各种能量的总和,即微观粒子的动能、势能、化学能、电离能、核能等等的总和 .由于在系统经历的热力学过程中,物质的分子、原子、原子核的结构一般都不发生变化,即分子的内禀能量（原子间相互作用能、原子内的能量、核能）保持不变,可作为常量扣除.因此,系统的内能通常是指全部分子的动能以及分子间相互作用势能之和,前者包括分子平动、转动、振动的动能（以及分子内原子振动的势能）,后者是所有可能的分子对之间相互作用势能的总和.内能是态函数.真实气体的内能是温度和体积的函数.理想气体的分子间无相互作用,其内能只是温度的函数.
通过作功、传热,系统与外界交换能量,内能改变,其间的关系由热力学第一定律给出.
通过作功和传热,系统与外界交换能量,使内能有所变化.根据普遍的能量守恒定律,系统由初态Ⅰ经过任意过程到达终态Ⅱ后,内能的增量ΔU应等于在此过程中外界对系统传递的热量 Q 和系统对外界作功A之差,即
UⅡ－UⅠ＝ΔU＝Q－A或Q＝ΔU＋A这就是热力学第一定律的表达式.如果除作功、传热外,还有因物质从外界进入系统而带入的能量Z,则应为ΔU ＝Q－A＋Z.当然,上述ΔU、A、Q、Z 均可正可负 .对于无限小过程,热力学第一定律的微分表达式为
dQ＝dU＋dA因U是态函数,dU 是全微分；Q、A是过程量,dQ 和 dA只表示微小量并非全微分,用符号d以示区别.又因ΔU或 dU 只涉及初、终态,只要求系统初、终态是平衡态,与中间状态是否平衡态无关.
热力学第一定律的另一种表述是：第一类永动机是不可能造成的.