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内能是热力学中的重要概念。从分子运动论的角度来看，内能是物体内部所有分子动能和势能的总和。分子在不停地做无规则运动，温度反映了分子平均动能的大小。温度越高，分子运动越剧烈，内能也就越大。
内能由两部分组成：分子动能和分子势能。分子动能是由于分子无规则运动产生的，而分子势能是由于分子间相互作用力产生的。对于理想气体，我们忽略分子间的相互作用，因此内能仅由分子动能构成。
内能具有重要的性质。首先，内能是状态函数，只与物体的当前状态有关，与到达该状态的路径无关。其次，内能具有相对性，我们只能测量内能的变化量。最后，内能是广延性质，与物质的量成正比。根据热力学第一定律，内能的变化等于物体吸收的热量减去对外做的功。
内能的大小受多个因素影响。首先是温度，温度越高，分子运动越剧烈，内能越大。其次是物质的量，质量越大，分子数量越多，内能也越大。物态也会影响内能，一般来说气态的内能大于液态，液态的内能大于固态。最后，不同物质由于分子结构不同，在相同条件下内能也不相同。
改变物体内能有两种基本方式。第一种是做功，通过机械能转化为内能，比如摩擦生热和压缩气体。当物体间发生摩擦时，机械能转化为热能，使物体温度升高。第二种是热传递，热量从高温物体传向低温物体，包括传导、对流和辐射三种方式。这两种改变内能的方式在效果上是等效的。
热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的具体体现。其数学表达式为ΔU等于Q减去W，即内能的变化等于物体吸收的热量减去物体对外做的功。在符号规定中，物体吸热时Q大于零，放热时Q小于零；物体对外做功时W大于零，被外界做功时W小于零。这个定律揭示了内能、热量和功之间的定量关系。
在热力学中有四种典型过程。等温过程中温度保持不变，理想气体内能不变，吸收的热量全部用于对外做功。等容过程中体积不变，气体不做功，吸收的热量全部用于增加内能。等压过程中压强不变，内能变化等于吸热减去做功。绝热过程中没有热交换，内能变化等于负的对外做功。这些过程在PV图上呈现不同的曲线形状。