Die innere Energie U ist eine physikalische Größe und beschreibt den Energieinhalt eines Systems; die innere Energie sich aus mehreren Energieformen zusammen, deren Wert sehr schwer bestimmbar ist. Die innere Energie eines Systems ändert sich nur bei thermischen Kontakt mit der Umgebung und/oder Kontakt mit der Umgebung, wodurch mechanische Arbeit verrichtet wird (Volumenarbeit, ein Gas dehnt sich gegenüber einem Aussendruck aus).
Jedes System besitzt einen bestimmten Energieinhalt (innere Energie U) und setzt sich aus den verschiedenen Energieformen (beispielsweise kinetischer Energie, Rotationsenergie und Schwingungsenergie der Teilchen) zusammen. Die innere Energie eines Systems besteht dabei im Wesentlichen aus der thermischen Energie, chemischen Energie und Kernenergie. Addiert man somit diese Energieanteile zusammen, erhält man die innere Energie eines Systems. Die Bestimmung der inneren Energie eines Systems ist extrem schwierig. Da sich die Thermodynamik i.d.R. nur mit der Änderung der inneren Energie eines Systems beschäftigt, um mögliche Zustandsänderungen vorherzusagen, ist die Kenntnis der inneren Energie U nicht nötig.
Die Änderung der inneren Energie ΔU ist gleich der Summe der Wärme Q, die dem System zugeführt wird, und der Arbeit W, die am System verrichtet wird:ΔU = Q + W.
Daraus folgt, dass sich die innere Energie eines Systems erhöht, wenn Wärme zugeführt oder Arbeit “reingesteckt” (z.B. auf das System wird Druck ausgeübt).