内能是物质分子的动能和势能的总和。显然，我们不可能测量一个物体中每个分子的动能和势能，因此内部能量本质上是统计学的，是分子动能和势能的统计平均值。分子动能与温度有关。温度越高，分子运动速率越大，动能越大；势能与密度（或体积）有关。每单位体积的分子质量（或数量）越多，分子势能就越大。因此，可以通过温度和密度来确定内部能量，这也是状态功能。

内部能量和总能量不同。一般而言，系统的总能量E由三个部分组成，包括内部能量U，系统整体运动的动能K以及外部场中系统的势能V（例如重力场）。最后两个项的总和也称为外部能量。

一般而言，我们不在乎内部能量的绝对价值，而是内部能量的变化。热力学的第一定律指出，物体中能量的增加等于对象吸收的热量和对物体上所做的工作，这是热科学中能量转换和保存定律的特定表现。换句话说，我们可以通过两种方法来更改系统的内部能量：工作和传热。这两种方法统一的是著名的焦耳热工作等效实验。焦耳确实通过搅拌和通电在绝缘容器中的水上起作用，并测量温度的升高，并获得1cal = 4。的结果，这非常接近当前公认值1cal = 4的当前公认值。 （1cal是指在标准的大气压下将1G纯水温度升高1°C所需的热量，目前用作营养和其他田间的热量单位）。该实验证明了与热量和工作相同的等同，确认热量是一种能量形式，当时破坏了物理界的“热量理论”规则，并为建立能量转换和保护法的建立奠定了可靠的实验基础。