二氧化碳的内能是描述二氧化碳状态性质的数学量，是由二氧化碳内部状态所决定的能量，对于一定质量的二氧化碳，只要气温和容积确定了，它的状态也就确定了，在此状态下的内能也就被地确定了，即内能是状态的单值函数，做功和热传递是改变内能的两种形式，当二氧化碳由某一状态出发，经过任意过程变化到另一状态时，二氧化碳内能的增量△U等于在这一过程中外界对二氧化碳所做的功W和二氧化碳所吸收的热量Q之和，即△U=W＋Q，这就是热力学第一定理的物理叙述，对于一定质量的理想二氧化碳的内能，焦耳在1845年做了的二氧化碳自由膨胀的实验，得到了理想二氧化碳内能的性质。
一、理想二氧化碳的内能
焦耳的实验装置如图1所示，容器A部充以浮力较低的二氧化碳(可以看成理想二氧化碳)，容器B部为真空，A、B用活门C隔开，整个装置溶入一个有绝热壳的水量热器中，当整个装置与水达到热平衡之后，打开活门C二氧化碳将膨胀饱含整个容器，检测膨胀前后二氧化碳和水的平衡气温，发觉没有改变，这个结果表明二氧化碳在膨胀前后的气温没有变化，同时也说明二氧化碳在膨胀过程中与水没有热量的交换，即Q=0，因为二氧化碳向真空中膨胀不受任何制约，所以外界对二氧化碳不做功W=0，依据热力学第一定理，△U=0，即氨气在这一过程中内能没有发生变化，可见这是一个二氧化碳容积改变而内能保持不变的过程，实验结果又表明此过程中二氧化碳的体温并没改变，这就说明二氧化碳的内能只跟气温有关而跟容积无关，因而得到推论：理想二氧化碳的内能只与湿度有关，与容积无关，这一推论称为焦耳定理。
从二氧化碳分子动理论的观点来看，二氧化碳的内能是二氧化碳中所有分子热运动的动能和分子间互相作用的势能的总和，而分子热运动的动能与二氧化碳的湿度有关，分子间互相作用的势能与二氧化碳的容积有关，所以二氧化碳的内能是气温和容积的函数，而理想二氧化碳，是指分子间没有互相作用和分子可以看作没有大小的质点的二氧化碳，因此理想二氧化碳内能中就不存在分子间互相作用的势能，所以，理想二氧化碳的内能只是所有分子热运动的动能的总和，而分子热运动的动能只与湿度有关，故理想二氧化碳的内能只与湿度有关，与容积无关。
二、理想二氧化碳内能的变化
下边我们来剖析理想二氧化碳在一些简单过程中内能的变化。
1、等容过程
一定质量的理想二氧化碳在容积不变的情况下，由初态A(p1，V，T1)变到末态B(p2，V，T2)，其过程如图2、图3所示，由于二氧化碳容积不变，所以W=0，依据热力学第一定理，有△U=Q，可见理想二氧化碳在等容过程中，内能的变化完全是由外界对二氧化碳传递的热量决定的：若理想二氧化碳等容放热(图2)，Q＞0，则T2＞T1，p2＞p1，△U＞0，即理想二氧化碳在等容放热过程中，气温下降，浮力减小，理想二氧化碳从外界吸收热量，吸收的热量全部拿来降低自身的内能；若理想二氧化碳等容吸热(图3)，Q＜0，则T2＜T1，p2＜p1，△U＜0，即理想二氧化碳在等容吸热过程中，湿度增加，浮力减少，理想二氧化碳等容吸热过程是靠减轻自身的内能来向外界释放热量的，或则说理想二氧化碳在等容吸热过程中是以换热的方法把内能传给了外界。
2、等温过程
一定质量的理想二氧化碳在室温不变的情况下，由初态A(p1，V1，T)变到末态B(p2，V2，T)，其过程如图4、图5所示，因为理想二氧化碳的内能只是体温的函数，因而，在等温过程中，内能不变△U=0，依据热力学第一定理，有W＋Q=0.可见理想二氧化碳在等温过程中能量转化有两种情形：若理想二氧化碳等温膨胀(图4)，V2＞V1，则p2＜p1，W＜0，因而Q＞0.即理想二氧化碳在等温膨胀过程中.容积减小，浮力减少，理想二氧化碳从外界吸收热量，因为内能不变，吸收的热量全部转变为对外所做的功；若理想二氧化碳等温压缩(图5)气体内能，V2＜V1，则p2＞p1，W＞0，因而Q＜0，即理想二氧化碳在等温压缩过程中，容积增大，浮力减小，因为理想二氧化碳内能不变，外界对二氧化碳做的功全部以热量的方式释放给了外界。
3、等压过程
一定质量的理想二氧化碳在浮力不变的情况下，由初态A(p，V1，T1)变到末态B(p，V2，T2)，其过程如图6、图7所示，依据热力学第一定津，△U=W＋Q，可见反映理想二氧化碳在等压过程中内能的变化有如下两种情形：若理想二氧化碳等压膨胀(图6)，V2＞V1，则T2＞T1，W＜0气体内能，因而Q＞0，△U＞0，即理想二氧化碳在等压膨胀过程中，从外界吸收热量，气温下降，容积减小，吸收的热量一部份拿来降低自身的内能，一部份转化为对外所做的功；若理想二氧化碳等压压缩(图7)，V2＜V1，则T2＜T1，W＞0，因而Q＜0，△U＜0，即理想二氧化碳在等压压缩过程中，湿度增加，容积增大，理想二氧化碳向外界吸热，放出的热量一部份来自自身内能的降低，一部份来始于外界对二氧化碳所做的功.
4.绝热过程
一定质量的理想二氧化碳由初态A(p1，V1，T1)经绝热过程变到末态B(p2，V2，T2)，如图8、图9所示.因为在绝热过程中Q=0，依据热力学第一定理，有△U=W，可见在绝热过程中内能的变化完全由外界对系统做的功来决定：若理想二氧化碳绝热膨胀(图8)，V2＞V1，有T2＜T1，p2＜p1，因为V2＞V1，则W＜0，因而△U＜0，即理想二氧化碳在绝热膨胀过程中，容积减小，湿度增加，浮力减少，理想二氧化碳靠减轻自身的内能来对外做功；若理想二氧化碳绝热压缩(图9)，V2＜V1，有T2＞T1，p2＞p1，因为V2＜V1，则W＞O，因而△U＞0，即理想二氧化碳在绝热压缩过程中，容积增大，气温下降，浮力减小，外界对二氧化碳做的功全部转化为二氧化碳的内能.
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