belső energia internal energy, U hőtani állapotfüggvény; az anyag/rendszer összetevőiben (atomok, ionok, molekulák) tárolt energia. Magában foglalja:

- az atomok energiáját,

- az atomok/molekulák haladó, forgó és rezgő mozgásából származó energiát,

- az ionok vonzási

- és a molekulák kötési (kölcsönhatási) energiáját.

Az atomok energiája az elektronok (részecskék) mozgásából, helyzetéből és az atommagot összetartó energiájából tevődik össze. A molekulák kötési (kölcsönhatási) energiáját szerkezeti belső energiának nevezzük.

Másként fogalmazva: a belső energia az atomok/molekulák mozgásából és állapotából összetevődő energia. Nem tartozik hozzá a testek helyzeti és mozgási energiája.

A belső energia jele: U, SI-egysége a joule (J), egyezik a hőmennyiség egységével. Összeadódó mennyiség, függ az összetevők számától; több atomot, molekulát tartalmazó anyagnak nagyobb a belső energiája. Összetett rendszerek belső energiája az alkotó rendszerek belső energiájának az összege. Folyadékok, szilárd anyagok belső energiájának zömét a kötési energia teszi ki. A gázokban a molekulák mozgási energiája a meghatározó.

A belső energia változása:

A belső energia tényleges értékét nem ismerjük, csak a változását (DU) tudjuk mérni. A változása a rendszer kezdeti (U_k) és végállapoti (U_v) belső energiájának a különbsége (DU = U_v − U_k); független a változás módjától (útvonalától). Megállapodás szerint, ha a rendszer belső energiája növekszik, a DU >0, ha csökken, a DU <0. Az energia megmaradásának törvényéből következik, hogy a belső energia változása egyenlő a rendszer által felvett hő és a rendszer által végzett munka különbségével. Ez azt jelenti, hogy a felvett hőnek az a része, amelyik nem fordítódik munkára, belső energiává válik.

A belső energia változása a rendszer és a környezet közötti energiacserék következménye. Kölcsönhatás csak akkor jöhet létre, ha a rendszer határfelülete átjárható az energia számára; vagyis csak a nyílt és a zárt rendszerekben. Az elszigetelt rendszer határfelületén az energia sem jut át, ezért az elszigetelt rendszer belső energiája állandó. (→rendszer és környezet) A belső energia teljes változása a kölcsönhatásokból származó energiacserék összege. DU = Σ kölcsönhatási energiacserék. Valamely rendszer belső energiájának változása annyi tagból áll, ahány féle kölcsönhatásban a rendszer részt vesz.

A kölcsönhatás formája szerint az energiacsere lehet hőhatás, testekre hatás, felületi, elektromos és mágneses hatás. Mindegyikhez tartozik kölcsönhatási energia, amely csökkenti vagy növeli a belső energiát. Mindegyik formához rendelhető egy kiegyenlítődő- és egy összeadódómennyiség-változás, ezek szorzata adja a kölcsönhatásban végbemenő elemi energiacserét, vagyis azt a munkát, amelyet a belső energia végez. Ezt W-vel (work) jelöljük. Általános egyenlettel írva: W_i = y_i × Dx_i (W_i az elemi munka; y_i az elemi kiegyenlítődő mennyiség; Dx_i az elemi összeadódó mennyiség változása). Ebből látható, hogy az összeadódó mennyiségek változásával együtt a belső energia is változik. Hétféle kölcsönhatást ismerünk, a hozzájuk tartozó kiegyenlítődő és összeadódó mennyiségek zárójelben vannak:

- vegyi kölcsönhatás (vegyi energiaság, anyagmennyiség);

- testfizikai kölcsönhatás (nyomás, térfogat; térfogatmunka, W_v = p × DV [p a nyomos, V a térfogat]);

- határfelületi kölcsönhatás (felületi feszültség, felület);

- elektrosztatikus kölcsönhatás (elektromos energiaság, töltés);

- mágneses kölcsönhatás (térerősség, mágnesezettség);

- elektromos kölcsönhatás (térerősség, polarizáció);

- hőenergiai kölcsönhatás, hőhatás (hőmérséklet, rendezetlenségszám; W_T = T × DS [T a hőmérséklet, S a rendezetlenségszám]).

Az egyes DW_i energiacserék útfüggvények, vagyis értékük nemcsak a rendszer kezdeti és végállapotától, hanem a végállapot kialakulásának útjától (miként került a rendszer a végállapotba) is függ. Az összeadódó mennyiségek valamelyikének változása gyakran okozza a többi, de legalább egy másik változását is. Egyetlen kivétel a rendezetlenségszám, amely a többitől függetlenül is változhat. (→rendezetlenségszám)

A belső energia a szervezetben sokféleképpen hasznosul (végez munkát): nagymolekulák képzése, foszfolipid hártyák (sejthártya, szervecskék hártyái stb.), sejtmozgások, szállítási folyamatok, hőképződés, elektromos energiaság gerjesztése stb. A szervezetünkben folyton végbemennek a belső energia cserefolyamatai, ezért szervezetünk belső energiája soha nincs egyensúlyi állapotban.