Energia wewnętrzna to suma wszystkich rodzajów energii, jakie posiadają wszystkie molekuły gazu łącznie. Z ruchem molekuł związana jest energia kinetyczna, a z ich oddziaływaniami na odległość związana jest energia potencjalna. Z powodu braku oddziaływań między drobinami gazu doskonałego energia wewnętrzna takiego gazu składa się tylko z energii kinetycznych wszystkich drobin gazu.
Wzrost temperatury jest oznaką wzrostu średniej energii kinetycznej przypadającej na jedną drobinę i tym samym wzrostu energii wewnętrznej. Gdy temperatura gazu pozostaje bez zmian, to energia wewnętrzna również się nie zmienia (U = const, gdy T = const). Zależność energii wewnętrznej od temperatury dla jednego mola gazu wyraża wzór: U=i/2RT, gdzie i oznacza liczbę stopni swobody drobin gazu, która wynosi: i = 3 dla gazu jednoatomowego, i = 5 dla gazu dwuatomowego, i = 6 dla gazu wieloatomowego.