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从微观上说，系统内能是构成系统的所有分子无规则运动动能、分子间相互作用势能、分子内部以及原子核内部各种形式能量的总和。后面两项在大多物理过程中不变，因此一般只需要考虑前两项，二者的总和就是通常所指的内能。但在涉及电子的激发、电离的物理过程中或发生化学反应时分子内部（不包括原子核内部）的能量将大幅变化，此时内能中必须考虑分子内部的能量。核内部能量仅在核物理过程中才会变化，因此绝大多数情形下，都不需要考虑这一部分的能量。内能的绝对量（主要是其中的核内部能量部分）还不完全清楚，但不影响解决一般问题，对于内能我们常常关心的是其变化量。
内能（internal energy） 从微观的角度来看，是分子无规则运动能量总和的统计平均值。分子无规则运动的能量包括分子的动能、分子间相互作用势能以及分子内部运动的能量。物体的内能不包括这个物体整体运动时的动能和它在重力场中的势能。原则上讲，物体的内能应该包括其中所有微观粒子的动能、势能、化学能、电离能和原子核内部的核能等能量的总和，但在一般热力学状态的变化过程中，物质的分子结构、原子结构和核结构不发生变化，所以可不考虑这些能量的改变。但当在热力学研究中涉及化学反应时，需要把化学能包括到内能中。
抛开物质内部的结构细节，从宏观上说，内能是与系统在绝热条件下做功量相联系的，描述系统本身能量的一种状态函数。内能的宏观定义式为：ΔU=Wa，其中ΔU为内能的变化量，Wa为绝热过程外界对系统的做功量。在宏观定义中，内能是一个相对量。内能是系统的一种状态函数（简称态函数），即内能可以表达为系统的某些状态参量（例如压强、体积等）的某种特定的函数，函数的具体形式取决于具体的物质系统（具体地说，取决于物态方程）。当系统处于某一平衡态时，系统的一切状态参量将取得定值，内能作为这些状态参量的特定函数也将取得定值（尽管还不清楚它的绝对数值是多少）。对于一定量物质构成的系统，通过做功、热传递与外界交换能量，引起系统状态变化，而导致内能改变，其间的关系由热力学第一定律给出。对于不存在宏观动能变化的系统，则有ΔU=W+Q，其中ΔU为内能的变化量，W为外界对系统的做功量，Q为系统（从外界）的吸热量，该式称为热力学第一定律的常用表达式。内能的概念建立在焦耳等人大量精密的热功当量实验的基础之上。能量和内能概念的建立标志着能量转化与守恒定律（即热力学第一定律）的真正确立。
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