Полная энергия термодинамической системы представляет собой сумму кинетической и потенциальной энергий всех тел, входящих в систему. Из этой суммарной энергии мы можем выделить кинетическую и потенциальную энергию, которые зависят соответственно от скорости и положения системы как целого, то есть кинетическую и потенциальную энергии, связанные с макроскопическими движениями и взаимодействиями с внешними макроскопическими телами.

   Оставшуюся часть полной энергии системы мы назовём внутренней энергией системы. Она включает в себя энергию микроскопического движения и взаимодействия частиц, в том числе внутримолекулярную энергию (колебательную и вращательную энергии молекул) и внутриядерную энергию.

   Полная энергия системы (а, следовательно, и внутренняя энергия) также как потенциальная энергия тела в механике может быть определена с точностью до произвольной константы. Поэтому, если любые макроскопические движения в системе отсутствуют, можно принять "макроскопическую" часть кинетической и потенциальной энергий равной нулю и приравнять внутреннюю энергию системы её полной энергии. Такая ситуация имеет место в случае состояния термодинамического равновесия.

   Введём характеристику состояния термодинамического равновесия - температуру. Так мы будем называть функцию внешних параметров, например, давления и объёма, и внутренней энергии системы. Эта функция для большинства веществ имеет монотонную зависимость от внутренней энергии системы, то есть растёт с ростом внутренней энергии.

   Температура обладает свойствами аддитивности и транзитивности:

   Если две термодинамические системы, находятся в тепловом контакте и имеют одинаковую температуру, то совокупная термодинамическая система находится в состоянии термодинамического равновесия при той же температуре.

   Если какая-либо термодинамическая система имеет одну и ту же температуру с двумя другими системами, то эти три системы находятся в термодинамическом равновесии при одной и той же температуре.

   Таким образом, температура есть мера состояния термодинамического равновесия. Для установления этой меры уместно ввести понятие теплопередачи.

   Теплопередачей называется передача энергии без передачи вещества и совершения механической работы одним телом над другим.

   Если между телами, находящимися в тепловом контакте друг с другом, теплопередача отсутствует, то тела имеют одинаковые температуры и находятся в состоянии термодинамического равновесия друг с другом.

   Если тела находятся при разных температурах, то теплопередача будет осуществляться таким образом, чтобы энергия передавалась от более нагретого тела менее нагретому, и это будет продолжаться до тех пор, пока температуры тел не сравняются (т. е. система из двух тел стремится к состоянию термодинамического равновесия).

   Для возникновения процесса теплопередачи необходимо создание потоков теплоты, то есть требуется выход из состояния теплового равновесия. Поэтому равновесная термодинамика не описывает сам процесс теплопередачи, а только его результат - переход в новое равновесное состояние. Описание самого процесса теплопередачи будет выполнена в главе, посвящённой физической кинетике.

   Для получения механической работы необходимо создание макроскопических движений - термодинамических потоков. В своей книге "Размышления о движущей силе огня" Н. Л. С. Карно пришёл к выводу, что тепловая машина производит работу не за счёт поглощения тепловой энергии, а благодаря передаче тепловой энергии от нагретого тела к холодному. Поэтому любая тепловая машина представляет собой в целом неравновесную термодинамическую систему и должна иметь в своём составе нагреватель и холодильник.

   Отметим, что, несмотря на то, что внутренняя энергия системы возрастает с ростом температуры, нельзя утверждать, что одна термодинамическая система, обладающая более высокой температурой, чем другая, обладает и большей внутренней энергией. Например, больший объём воды может обладать большей внутренней энергией даже при более низкой температуре, чем у меньшего объёма воды (аддитивные константы полагаем выбранными соответствующими друг другу). Однако, в этом случае теплопередача (перенос энергии) не сможет происходить от тела с большей внутренней энергией к телу с меньшей внутренней энергией, так как направление переноса энергии определяется не внутренней энергией систем, а их температурами.