与热力学状态或是说与系统量子能阶有关的能量，称为内能。对单原子分子而言，内能则是分子移动的能量与电子激发状态的能量的和，其值则由量子能阶分布决定。双原子分子尚有旋转，振动的能量表现在内能的值上。亦可说系统内量子能阶分布在平衡状态时，所有配分能量的总和即为内能，内能与位置或系统整体运动的动能无关，一般均将内能表为热力学状态的函数。对理想气体而言，若为单原子分子且不考虑电子激发状态时，内能表为 其中，u 为单一原子的平均内能；k 为波子曼常数；T 为绝对温度。双原子分子则依不同的温度范围而有不同的表示式。