结构生物化学/内能
在热力学中，特定系统的总能量称为内能。它是系统内所有能量的总和，不包括周围环境中的能量。内能可以分为两部分：动能和势能。我们说内能的变化等于 ∆U，其中最终内能减去初始内能得到内能的变化，∆U。
内能是一个状态函数，因为它的值取决于系统的当前状态，因为它独立于路径。在计算内能变化时，无论通过何种过程，只要初始状态和最终状态相同，内能就不会不同。从工作与内能关系的角度来观察系统的内能是另一种方法。无论是压力或体积变化引起的机械功，都可以导致内能的变化。总体而言，随着质量的增加，系统的内能也随之增加，因此内能成为一个广延性质，因为它与系统中该时刻的物质数量成正比。
内能被定义为与分子随机无序运动相关的能量。它与宏观有序能量（与运动物体相关的能量）在尺度上是分开的。它指的是原子和分子尺度上不可见的微观能量。例如，放在桌子上的室温一杯水，无论是势能还是动能，都没有明显的能量。但在微观尺度上，它是一个高速分子剧烈运动的沸腾体，以数百米每秒的速度运动。如果水被扔过房间，当我们把整体的有序大尺度运动叠加到水体上时，这种微观能量不一定发生变化。
内能涉及微观尺度的能量。对于理想单原子气体，这仅仅是“硬球”型原子线性运动的平移动能，系统的行为可以用动力学理论很好地描述。然而，对于多原子气体，也存在旋转动能和振动动能。然后在液体和固体中，存在与分子间吸引力相关的势能。对内能贡献的简化可视化有助于理解涉及内能的相变和其他现象。
更一般地说，虽然外部能量是由于宏观运动（系统的整体运动）或外部场，但内能是所有其他形式的能量，包括随机运动（系统内分子之间的相对运动）和偶极矩以及应力。
每个分子都有特定的自由度数，包括平移、旋转或振动。然而，正如能量均分定理所述，热能的增加均匀分布在所讨论分子的自由度之间。根据能量均分定理，总能量的每个贡献的平均能量为 ½*kT，因此对于仅包含平移的单原子气体，方程如下所示：U_m (T)=U_m (0)+3/2 RT。当线性分子包括旋转能量时，方程变为：U_m (T)=U_m (0)+5/2 RT。现在，对于非线性分子，包括平移和旋转能量，方程变为：U_m (T)=U_m (0)+3RT。
假设正在研究的气体是理想气体，那么内能的定义可能会改变。由于在理想气体中绝对没有分子间相互作用，只要分子之间的距离对能量没有影响。那么可以假设气体的内能与其体积无关。
理想气体的内能仅是温度的函数。
理想气体被定义为所有原子或分子之间的碰撞都是完全弹性的，并且不存在分子间吸引力的气体。可以将其想象成一群完美的硬球，它们会碰撞但不会以其他方式相互作用。在这种气体中，所有内能都是动能形式，任何内能变化都伴随着温度变化。
理想气体可以用三个状态变量来表征：绝对压力 (P)、体积 (V) 和绝对温度 (T)。它们之间的关系可以通过动力学理论推导出来，称为理想气体定律：PV=nRT
理想气体定律可以被认为是由于气体分子根据牛顿定律与容器壁发生碰撞而产生的动压。但是，在确定这些分子的平均动能时，也存在统计元素。温度被认为与这种平均动能成正比；这调用了动能温度的概念。
物理化学 by Atkins and de Paula (第 9 版)