แม้ว่าอุณหพลศาสตร์แบบดั้งเดิมจะเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติระดับมหภาคของวัสดุเท่านั้น เช่นอุณหภูมิความดันและปริมาตร พลังงานความร้อนจากการเติมความร้อนสามารถเข้าใจได้ในระดับจุลภาคเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของพลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่ของโมเลกุล  อุณหพลศาสตร์ ที่ ประกอบกันเป็น สาร. ตัวอย่างเช่น โมเลกุลของแก๊สมีพลังงานจลน์เชิงแปลที่เป็นสัดส่วนกับอุณหภูมิของแก๊ส: โมเลกุลสามารถหมุนรอบจุดศูนย์กลางมวลของมัน และอะตอมที่เป็นส่วนประกอบสามารถสั่นด้วยความเคารพซึ่งกันและกัน (เช่น มวลที่เชื่อมต่อกันด้วยสปริง) นอกจากนี้พลังงานเคมีจะถูกเก็บไว้ในพันธะที่ยึดโมเลกุลไว้ด้วยกัน และปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลในระยะยาวที่อ่อนแอลงนั้นเกี่ยวข้องกับพลังงานที่มากขึ้น ผลรวมของพลังงานรูปแบบทั้งหมดนี้ถือเป็นพลังงานภายในทั้งหมดของสสารในสภาวะทางอุณหพลศาสตร์ที่กำหนด พลังงานทั้งหมดของระบบรวมถึงพลังงานภายในบวกกับพลังงานรูปแบบอื่นๆ เช่นพลังงานจลน์เนื่องจากการเคลื่อนที่ของระบบโดยรวม (เช่น น้ำที่ไหลผ่านท่อ) และพลังงานศักย์โน้มถ่วงเนื่องจากระดับความสูง