Energia wewnętrzna ciała to suma energii kinetycznych wszystkich cząsteczek, z których zbudowane jest ciało oraz energii potencjalnych związanych z wzajemnym oddziaływaniem tych cząsteczek. Energia wewnętrzna zależy od temperatury, bo im większa temperatura, tym cząsteczki szybciej się poruszają, więc mają większe energie kinetyczne. Temperatura jest miarą energii kinetycznej cząsteczek. Jednostką temperatury w układzie SI jest 1K (kelwin). Na co dzień używamy innych jednostek - °C (stopni Celsjusza). 0°C to temperatura zamarzania wody, 0K to tzw. zero absolutne, najniższa możliwa temperatura. Aby stopnie Celsjusza zamienić na kelwiny, należy do nich dodać 273. Skoro energia wewnętrzna to suma energii wszystkich cząsteczek, to ciało ma tym większą energię wewnętrzną, z im większej liczby cząsteczek się składa. Energię wewnętrzną ciała można zwiększyć wykonując nad ciałem pracę lub dostarczając do ciała ciepło.

Ciepło to pewna ilość energii wewnętrznej przekazywanej między ciałami. Ciepło przepływa od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. Ciepło może przepływać na trzy sposoby: przewodnictwa cieplnego, promieniowania i konwekcji. Konwekcja to proces przekazywania ciepła związany z ruchem materii w gazie lub cieczy, np. unoszenie się do góry ciepłego powietrza. Przyrost energii wewnętrznej ciała jest równy sumie pracy wykonanej nad ciałem i dostarczonego mu ciepła.

∆U=W+Q

Stwierdzenie powyższe nosi nazwę I zasady termodynamiki.

Wraz ze wzrostem temperatury ciała stałe wydłużają się. Zjawisko takie nazywamy rozszerzalnością liniową ciała. Zmiana rozmiarów ciała powoduje też wzrost jego objętości. Spowodowane jest to zwiększaniem się odległości między cząsteczkami, które w wyniku wzrostu temperatury zwiększają swoją energię (ale nie na tyle, aby uległa zniszczeniu struktura ciała stałego). Rozszerzalność liniowa musi być brana pod uwagę przy konstrukcji mostów, szyn kolejowych, linii energetycznych itp., które w czasie upałów zwiększają swoje rozmiary. Rozszerzalność objętościową wykazują również ciecze i gazy. Zjawisko to wykorzystuje się w termometrach. Rozszerzalność temperaturowa ciał jest różna w zależności od rodzaju substancji. Największą rozszerzalnością odznaczają się gazy, najmniejszą ciała stałe.

Gdy ciało pobiera ciepło, zwiększa się jego energia wewnętrzna. Ilość ciepła, jaką trzeba dostarczyć ciału o masie m, aby ogrzać je o ∆T, obliczamy ze wzoru:

Q=m∙cw∙∆T

Współczynnik cw nazywa się ciepłem właściwym.

Ilość pobranego przez ciało ciepła jest proporcjonalna do przyrostu temperatury ciała i do masy ciała.Ciepło właściwe określa ilość energii, jaką trzeba dostarczyć, aby zwiększyć temperaturę 1kg danej substancji o 1K (1°C).

Jeśli w układzie izolowanym ciepło przepływa miedzy dwoma ciałami, to możemy zastosować tzw. bilans cieplny, zgodnie z którym ciepło oddane przez ciało o wyższej temperaturze jest równe ciepłu pobranemu przez ciało o niższej temperaturze.

Ta sama substancja może występować w stanie stałym, ciekłym lub gazowym. Stan substancji może się zmieniać w zależności od warunków zewnętrznych.

Topnieniem nazywamy proces przemiany ciała stałego w ciecz. Odwrotne zjawisko nazywamy krzepnięciem. Temperatura, w której zachodzi proces topnienia nazywa się temperaturą topnienia. Jest ona różna dla różnych substancji. W stałej temperaturze topią się ciała krystaliczne. Podczas topnienia ciał bezpostaciowych ich temperatura ciągle wzrasta, nie widać wtedy wyraźnie granicy zmiany jednego stanu skupienia w drugi. Podczas topnienia ciało pobiera ciepło, a podczas krzepnięcia oddaje je. Dostarczana w czasie topnienia energia jest wykorzystywana do rozrywania wiązań między cząsteczkami (sieci krystalicznej). Ilość ciepła potrzebną na stopienie ciała obliczamy ze wzoru:

Q=m∙ct

ct to tzw. ciepło topnienia. Ciepłem topnienia nazywamy ilość ciepła potrzebną na stopienie 1 kg substancji.

Parowaniem nazywamy proces przemiany cieczy w gaz, odwrotny proces to skraplanie. Parowanie zachodzi w każdej temperaturze. Ciecz paruje na swojej powierzchni. W pewnej temperaturze ciecz paruje w całej swojej objętości. Taki proces nazywamy wrzeniem, a temperaturę w której taki proces zachodzi – temperaturą wrzenia. Podczas parowania ciało pobiera ciepło, podczas skraplania oddaje je. Dostarczane ciepło powoduje wzrost energii cząsteczek, które odrywają się od powierzchni cieczy. Ilość ciepła potrzebną do wyparowania cieczy obliczamy ze wzoru:

Q=m∙cp

cp to tzw. ciepło parowania. Ciepłem parowania nazywamy ilość ciepła potrzebną do wyparowania 1 kg substancji. Szybkość parowania zależy od rodzaju cieczy, temperatury, ruchu powietrza w otoczeniu parującej cieczy, wilgotności powietrza, wielkości powierzchni swobodnej cieczy. Ciało stałe może od razu przejść w stan gazowy. Taki proces to sublimacja. Zamiana gazu w ciało stałe to resublimacja.