Ciepło jako forma energii
Ponieważ wszystkie formy energii, w tym ciepło, mogą być przekształcone w pracę, ilości energii są wyrażane w jednostkach pracy, takich jak dżule, funty, kilowatogodziny lub kalorie. Istnieją dokładne zależności pomiędzy ilością ciepła dodawaną do lub usuwaną z ciała a wielkością wpływu na stan ciała. Dwie najczęściej używane jednostki ciepła to kaloria i brytyjska jednostka cieplna (BTU). Kaloria (lub gram-kaloria) to ilość energii potrzebna do podniesienia temperatury jednego grama wody z 14,5 do 15,5 °C; BTU to ilość energii potrzebna do podniesienia temperatury jednego funta wody z 63 do 64 °F. Jeden BTU to w przybliżeniu 252 kalorie. Obie definicje określają, że zmiany temperatury mają być mierzone przy stałym ciśnieniu jednej atmosfery, ponieważ ilość energii zależy częściowo od ciśnienia. Kaloria używana do pomiaru zawartości energii w żywności to duża kaloria lub kilogram-kaloria, równa 1000 gram-kalorii.
Ogólnie, ilość energii potrzebnej do podniesienia masy jednostkowej substancji w określonym przedziale temperatur nazywana jest pojemnością cieplną lub ciepłem właściwym tej substancji. Ilość energii potrzebnej do podniesienia temperatury ciała o jeden stopień zmienia się w zależności od nałożonych ograniczeń. Jeśli ciepło jest dodawane do gazu zamkniętego w stałej objętości, ilość ciepła potrzebna do spowodowania wzrostu temperatury o jeden stopień jest mniejsza niż wtedy, gdy ciepło jest dodawane do tego samego gazu, który może się swobodnie rozprężać (jak w cylindrze wyposażonym w ruchomy tłok) i wykonywać pracę. W pierwszym przypadku, cała energia idzie na podniesienie temperatury gazu, ale w drugim przypadku, energia nie tylko przyczynia się do wzrostu temperatury gazu, ale również dostarcza energii niezbędnej do wykonania pracy przez gaz na tłoku. W związku z tym ciepło właściwe substancji zależy od tych warunków. Najczęściej określane ciepła właściwe to ciepło właściwe przy stałej objętości i ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu. W 1819 roku francuscy naukowcy Pierre-Louis Dulong i Alexis-Thérèse Petit wykazali, że pojemności cieplne wielu stałych pierwiastków są ściśle związane z ich masami atomowymi. Tak zwane prawo Dulonga i Petita było przydatne do określenia ciężarów atomowych niektórych pierwiastków metalicznych, ale istnieje wiele wyjątków od niego; odchylenia te okazały się później możliwe do wyjaśnienia na podstawie mechaniki kwantowej.
Nieprawidłowe jest mówienie o cieple w ciele, ponieważ ciepło ogranicza się do energii przekazywanej. Energia zmagazynowana w ciele nie jest ciepłem (ani pracą, ponieważ praca jest również energią w tranzycie). Zwyczajowo jednak mówi się o cieple jawnym i utajonym. Ciepło utajone, zwane również ciepłem parowania, to ilość energii niezbędna do zmiany cieczy w parę w stałej temperaturze i pod stałym ciśnieniem. Energia potrzebna do stopienia ciała stałego w ciecz nazywana jest ciepłem syntezy, a ciepło sublimacji to energia potrzebna do zmiany ciała stałego bezpośrednio w parę, przy czym zmiany te również zachodzą w warunkach stałej temperatury i ciśnienia.
Powietrze jest mieszaniną gazów i pary wodnej, a możliwe jest, aby woda obecna w powietrzu zmieniała fazę; tj. może stać się cieczą (deszcz) lub ciałem stałym (śnieg). Aby odróżnić energię związaną ze zmianą fazy (ciepło utajone) od energii potrzebnej do zmiany temperatury, wprowadzono pojęcie ciepła jawnego. W mieszaninie pary wodnej i powietrza, ciepło jawne jest energią niezbędną do wytworzenia określonej zmiany temperatury, z wyłączeniem energii potrzebnej do zmiany fazy.