Внутрішня енергія системи (U) є сумою кінетичних та потенціальних енергій всіх складових системи на всіх рівнях будови. В молекулярній фізиці найчастіше мають справу зі змінами внутрішньої енергії (ΔU), обумовленими змінами в русі та взаємодії атомів та молекул.  Ці зміни розраховують через молярну теплоємність при сталому об"ємі:

. 

Найпростіше внутрішню енергію розраховувати для ідеальних газів:

одноатомного  та багатоатомного .