我们在研究大量气体分子的无规则运动时，只考虑了每个分子的平动。实际上，气体分子具有一定的大小和比较复杂的结构，不能看做质点。因此，分子的运动不仅有平动，还有转动与分子内原子间的振动。分子热运动的能量应将这些运动的能量都包括在内。

1．能量均分定理

从理想气体分子的平均平动动能的公式

        
    出发，考虑到大量气体分子作杂乱无章的运动时，各个方向运动的机会均等的统计假设，我们有，且，所以

上式表明，气体分子沿，，三个方向运动的平均平动动能完全相等；可以认为，分子的平均平动动能是均匀地分配在每一个平动自由度上的。因为分子平动有3个自由度，所以相应于每一个平动自由度的能量是。
    这个结论可以推广到刚性气体分子的转动上去。在平衡状态时，由于分子间频繁的无规则碰撞，平均地说，不论何种运动，相应于每一自由度的能量都应该相等。气体分子任一自由度的平均能量都等于。如果气体分子有个自由度，则每个分子的总平均动能就是。能量按照这样分配的原则，叫做能量均分定理，这个原则是关于分子无规则运动动能的统计规律，是大量分子统计平均所得出的结果，也是分子热运动统计性的一种反映。如果气体分子不是刚性的，那么，除上述平动与转动自由度以外，还存在着振动自由度。对应于每一个振动自由度，每个分子除有的平均动能外，还具有的平均势能，在每个振动自由度上将分配到量值为的平均能量。

实际气体的分子运动情况视气体的温度而定。例如氢分子，在低温时，只可能有平动，在室温时，可能有平动和转动，只有在高温时，才可能有平动、转动和振动。又例如氯分子，在室温时已可能有平动、转动和振动。

2．理想气体的内能

除了上述的分子平动（动能）、转动（动能）和振动（动能、势能）以外，实验还证明，气体的分子与分子之间存在着一定的相互作用力，所以气体的分子与分子之间也具有一定的势能。气体分子的能量以及分子与分子之间的势能构成气体内部的总能量，称为气体的内能。对于理想气体来说，由于不计分子与分子之间的相互作用力，所以理想气体的内能只是分子各种运动能量的总和。

因为每一个分子总平均动能为，所以理想气体内能为

而质量为摩尔质量为的理想气体的内能是

由此可知，一定量的理想气体的内能完全决定于分子运动的自由度和气体的热力学温度，而与气体的体积和压强无关。