W równowadze termodynamicznej średnie energie kinetyczne ruchu postępowego wszystkich cząsteczek są równe. Wiemy to m.in na podstawie równania Temperatura, równanie stanu gazu doskonałego-( 1 ). Powstaje pytanie czy cząsteczka może gromadzić energię w innej postaci niż energia ruchu postępowego?

Odpowiedź jest twierdząca: jeżeli tylko cząsteczka nie ma kształtu kulki (cząsteczka jednoatomowa), a ma pewną strukturę wewnętrzną to może wirować i drgać. Przykładowo, dwuatomowa cząsteczka w kształcie hantli (zob. Rys. 1 ) będzie się obracać po zderzeniu z inną cząsteczką.

Na podstawie mechaniki statystycznej można pokazać, że gdy liczba punktów materialnych jest bardzo duża i obowiązuje mechanika Newtonowska to:

Zasada ta nosi nazwę zasady ekwipartycji energii.

Każdy z tych sposobów absorpcji energii nazywa się stopniem swobody i jest równy liczbie niezależnych współrzędnych potrzebnych do określenie położenia ciała w przestrzeni. Możemy więc zasadę ekwipartycji energii wyrazić innymi słowami:

Na podstawie równania Temperatura, równanie stanu gazu doskonałego-( 1 ) średnia energia kinetyczna ruchu postępowego cząsteczki wynosi

Odpowiada to trzem stopniom swobody ponieważ potrzebujemy trzech współrzędnych \( (x, y, z) \) do określenia położenia środka masy cząsteczki. Stąd średnia energia przypadająca na jeden stopień swobody wynosi \( {\frac{1}{2}{kT}} \) na cząsteczkę.

Dla cząsteczek obracających się potrzeba dodatkowych współrzędnych do opisania ich obrotu więc mamy dodatkowe stopnie swobody. O ile dla \( N \) cząsteczek nie obracających się całkowita energia wewnętrzna \( U \)jest energią kinetyczną ruchu postępowego

to dla cząstek wieloatomowych, które mogą obracać się swobodnie we wszystkich trzech kierunkach (wokół osi x, y, z)

Natomiast dla cząstki dwuatomowej (hantli pokazanej na Rys. 1 )

W tym przypadku mamy tylko dwa rotacyjne stopnie swobody bo moment bezwładności względem osi hantli (oś \( x \)) jest znikomo mały.

Zwróćmy uwagę, że mówimy tu o energii "ukrytej" (wewnętrznej) cząstek, a nie o energii makroskopowej (związanej z przemieszczaniem masy). O energii wewnętrznej mówiliśmy w module Zasada zachowania energii (energia indywidualnych cząstek nie zawarta w energii kinetycznej czy potencjalnej ciała jako całości ). Energię wewnętrzną oznacza się zazwyczaj przez \( U \).