Wärmeenergie (thermische Energie) ist eine Form von innerer Energie eines physikalischen Systems, und zwar die mit der ungerichteten Zufallsbewegung der mikrophysikalischen Bestandteile (Atome, Moleküle etc.) des Systems verbundene kinetische Energie. Sie wird berechnet als Mittelwert der zufälligen Bewegungsenergie aller Teilchen, dies zeigt die enge Verbindung zwischen Wärmelehre und Statistik.
Als Wärme oder Wärmemenge Q bezeichnet man Wärmeenergie, die bei einem Prozess von einem System auf ein anderes übertragen wird. Genau wie Arbeit tritt also auch Wärme immer nur bei Prozessen auf. Ein Stein, der irgendwo herumliegt, enthält weder Arbeit noch Wärme, sondern Lage- und Wärmeenergie!
Die ungerichtete mikroskopische Bewegung, welche die Wärmeenergie ausmacht, kann in vielen Formen auftreten: bei einem einatomigen idealen Gas ist es einfach die Translationsbewegung der Atome, bei Molekülen kommen noch Rotation und Vibration (Schwingung einzelner Molekülteile gegeneinander) hinzu. In einem Festkörper besteht die Wärme aus Schwingungen der im Kristallgitter fixierten Atome um ihre Ruhelage, hinzu kommen elektronische und magnetische Anregungen, die ebenfalls zur Wärmeenergie beitragen können. In Metallen spielt bei tiefen Temperaturen auch die (sehr kleine) kinetische Energie der freien Elektronen eine Rolle.
Die SI-Einheit von Wärmeenergie und Wärme ist wie bei allen anderen Energieformen das Joule (J). Die Beziehungen zwischen Wärme, Arbeit und innerer Energie ist Gegenstand des ersten Hauptsatzes der Wärmelehre beschrieben.