Nội năng U của một trạng thái được cho của hệ được xác định theo nội năng của trạng thái tiêu chuẩn của hệ, bằng cách cộng sự truyền năng lượng vĩ mô mà đi kèm với sự thay đổi trạng thái từ trạng thái tham chiếu đến trạng thái đã cho:

Δ U = ∑ i E i {\displaystyle \Delta U=\sum _{i}E_{i}\,}

với ΔU là chênh lệch giữa nội năng của trạng thái đã cho và trạng thái tham chiếu,và Ei là các loại năng lượng khác nhau được truyền vào hệ theo các bước từ trạng thái tham chiếu đến trạng thái đã cho.Nó là năng lượng cần có để tạo ra trạng thái đã cho từ trạng thái tham chiếu.

Từ một quan điểm vi mô không tương đối, nó có thể được chia thành thế năng vi mô (tnvm), Utnvn, và động năng vi mô (dnvm), Udnvm, hợp thành:

U = U t n v n + U d n v m {\displaystyle U=U_{\mathrm {tnvn} }+U_{\mathrm {dnvm} }}

Thế năng vi mô của hệ có được bằng tổng chuyển động của toàn bộ hạt của hệ so với một trọng tâm, bất kể nó là chuyển động của nguyên tử, phân tử, nguyên tử hạt nhân, hạt electron, hay các hạt khác. Các thành phần số học cấu thành thế năng vi mô là các liên kết hạn hóa học và nguyên tử, và trường lực vật lý trong hệ, như là điện cảm ứng bên trong hoặc mô men lưỡng cực từ, cũng như năng lượng biến dạng của bật rắn (ứng suất-sức căng). Thường thì việc chia thành động năng và thế năng vi mô nằm ngoài phạm vi nhiệt động lực học vĩ mô.