termodynamiikassa lämpö on energiaa, joka siirtyy termodynaamiseen systeemiin tai sieltä pois muiden mekanismien kuin termodynaamisen työn tai aineen siirron avulla. Lämpö tarkoittaa systeemien välillä siirrettyä määrää, ei minkään järjestelmän ominaisuutta tai sen ”sisältämää” määrää. Toisaalta sisäenergia on yhden systeemin ominaisuus. Lämpö ja työ riippuvat tavasta, jolla energian siirto tapahtui, kun taas sisäenergia on systeemin tilan ominaisuus ja voidaan siten ymmärtää tietämättä, miten energia on sinne joutunut.

tilastollisessa mekaanisessa kertomuksessa ideaalikaasusta, jossa molekyylit liikkuvat itsenäisesti hetkellisten törmäysten välillä, sisäenergia on kaasun itsenäisten hiukkasten liike-energioiden summa, ja juuri tämä kineettinen liike on systeemin rajan yli tapahtuvan lämmönsiirron lähde ja vaikutus. Sellaisen kaasun osalta, jolla ei ole hiukkasvuorovaikutusta hetkellisiä törmäyksiä lukuun ottamatta, termillä ”lämpöenergia” tarkoitetaan käytännössä samaa kuin ”sisäenergia”. Monissa tilastollisen fysiikan teksteissä ”lämpöenergialla” tarkoitetaan k T {\displaystyle kT} , joka on Boltzmannin vakion ja absoluuttisen lämpötilan tulo, joka kirjoitetaan myös K B T {\displaystyle k_{\text{b}}T} . Materiaalissa, erityisesti tiivistyneessä aineessa, kuten nesteessä tai kiinteässä aineessa, jossa osatekijät, kuten molekyylit tai ionit, vuorovaikuttavat voimakkaasti keskenään, tällaisten vuorovaikutusten energiat vaikuttavat voimakkaasti kehon sisäenergiaan, mutta eivät näy pelkästään lämpötilassa.

termiä ”lämpöenergia” käytetään myös lämpövirran kuljettamasta energiasta, joskin tätä voidaan myös yksinkertaisesti kutsua lämmöksi tai lämpömääräksi.