Внутренняя энергия является суммой внутренней кинетической и внутренней потенциальной энергий.

Первая из них определяется хаотическим движением частиц тела. С увеличением скорости этого движения возрастает и внутренняя кинетическая энергия. Но так как температура тела зависит от скорости движения его частиц (молекул), то увеличение или уменьшение температуры тела в процессе означает увеличение или уменьшение его внутренней кинетической энергии.

Внутренняя потенциальная энергия определяется силами взаимодействия между частицами вещества.

Обозначим изменение удельных внутренних кинетической и потенциальной энергий рабочего тела массой в 1 кг соответственно через  и . Тогда изменение внутренней энергии () в термодинамическом процессе может быть выражено уравнением:

.

В 1843 г. английский физик Джоуль сформулировал на основании проведённых им экспериментов, весьма важный закон идеальных газов: внутренняя энергия идеального газа зависит от его температуры.

Объясняется это тем, что в идеальных газах силы взаимодействия между молекулами отсутствуют, вследствие чего внутренняя потенциальная энергия их равна нулю, и внутренняя энергия газа состоит только из кинетической энергии, которая и определяет температуру идеального газа. Но поскольку температура идеального газа определяется внутренней кинетической энергией, а температура тела является параметром состояния, то и внутренняя энергия является параметром состояния. Следовательно, изменение внутренней энергии не зависит от вида процесса изменения состояния тела, а зависит только от начального и конечного состояний, определяемых по его параметрам.

Для вывода расчётного уравнения, по которому можно подсчитать изменение удельной внутренней энергии любого тела, рассмотрим процесс подвода тепла к рабочему телу массой 1 кг, заключённому в сосуд постоянного объёма. Этот пример показателен тем, что здесь удельный объём тела не изменяется, поэтому не совершается работа изменения объёма и вся подведённая теплота целиком расходуется только на увеличение его внутренней энергии.

Пусть в результате подвода теплоты рабочее тело переходит из состояния 1 в состояние 2, тогда подводимая теплота равна:

или

.

Сопоставляя эти уравнения, видим, что левые их части равны, следовательно, получаем:

.                             (6.3)

В общем случае для тела с произвольной массой m:

.                            (6.4)

Уравнения (6.3) и (6.4) отражают закон Джоуля. Заметим, что удельная внутренняя энергия измерения в джоулях на килограмм (Дж/кг).