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能量

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閃電:閃電是空氣的中的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到或超過(guò)當(dāng)時(shí)條件下空氣的電擊穿強(qiáng)度從而引起放電。當(dāng)電荷移動(dòng)一段距離即產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移。在大氣中的電位能便轉(zhuǎn)變成了其他能量的型式，例如熱能，光，聲音等。

在物理學(xué)中，能量（古希臘語(yǔ)中 ?ν?ργεια energeia 意指“活動(dòng)、操作”[1]）是一個(gè)間接觀察到的物理量。它往往被視為某一個(gè)物理系統(tǒng)對(duì)其他的物理系統(tǒng)做功的能力。由于功被定義為力作用一段距離，因此能量總是等同于沿著一定的長(zhǎng)度阻擋大自然基本力量的能力。

一個(gè)物體所含的總能量奠基于其質(zhì)量，能量如同質(zhì)量一般不會(huì)無(wú)中生有或無(wú)原因的消失。能量就像質(zhì)量一樣，是一個(gè)純量。在國(guó)際單位制（SI）中，能量的單位是焦耳，但是在有些領(lǐng)域中會(huì)習(xí)慣使用其他單位如千瓦·時(shí)和千卡，這些也是功的單位。

A系統(tǒng)可以借由簡(jiǎn)單的物質(zhì)轉(zhuǎn)移將能量傳輸?shù)紹系統(tǒng)（因?yàn)槲镔|(zhì)的質(zhì)量同等于能量）。然而，如果能量不是借由物質(zhì)轉(zhuǎn)移而傳輸能量，而是由其他方法轉(zhuǎn)移能量，這會(huì)使B系統(tǒng)產(chǎn)生變化，因?yàn)锳系統(tǒng)對(duì)B系統(tǒng)作了功。這功表現(xiàn)的效果如同于一個(gè)力以一定的距離作用在接收能量的系統(tǒng)里。舉例來(lái)說(shuō)，A系統(tǒng)可以借由轉(zhuǎn)移（輻射）電磁能量到B系統(tǒng)，而這會(huì)在吸收輻射能量的粒子上產(chǎn)生力。同樣的，一個(gè)系統(tǒng)可能借由碰撞轉(zhuǎn)移能量，而這種情況下被碰撞的物體會(huì)在一段距離內(nèi)受力并獲得運(yùn)動(dòng)的能量，稱為動(dòng)能。熱能的轉(zhuǎn)移則可以借由以上兩個(gè)方法：熱可以借由輻射能轉(zhuǎn)移，或者直接借由系統(tǒng)間粒子的碰撞而轉(zhuǎn)移動(dòng)能。

能量可以不用表現(xiàn)為物質(zhì)、動(dòng)能或是電磁能的方式而儲(chǔ)存在一個(gè)系統(tǒng)中。當(dāng)粒子在與其有交互作用的一個(gè)場(chǎng)中移動(dòng)一段距離（需借由一個(gè)外力來(lái)移動(dòng)），此粒子移動(dòng)到這個(gè)場(chǎng)的新的位置所需的能量便如此的被儲(chǔ)存了。當(dāng)然粒子必須借由外力才能保持在新位置上，否則其所處在的場(chǎng)會(huì)借由推或者是拉的方式讓粒子回到原來(lái)的狀態(tài)。這種借由粒子在力場(chǎng)中改變位置而儲(chǔ)存的能量就稱為位能。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子就是在重力場(chǎng)中往上提升一個(gè)物體到某一高度所需要做的功就是位能。

任何形式的能量可以轉(zhuǎn)換成另一種形式。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)物體在力場(chǎng)中自由移動(dòng)到不同的位置時(shí)，位能可以轉(zhuǎn)化成動(dòng)能。當(dāng)能量是屬于非熱能的形式時(shí)，它轉(zhuǎn)化成其他種類(lèi)的能量的效率可以很高甚至是完美的轉(zhuǎn)換，包括電力或者新的物質(zhì)粒子的產(chǎn)生。然而如果是熱能的話，則在轉(zhuǎn)換成另一種型態(tài)時(shí)，就如同熱力學(xué)第二定律所描述的，總會(huì)有轉(zhuǎn)換效率的限制。

在所有能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，總能量保持不變，原因在于總系統(tǒng)的能量是在各系統(tǒng)間做能量的轉(zhuǎn)移，當(dāng)從某個(gè)系統(tǒng)間中損失能量，必定會(huì)有另一個(gè)系統(tǒng)得到這損失的能量，導(dǎo)致失去和獲得達(dá)成平衡，所以總能量不改變。這個(gè)能量守恒的定律，是在十九世紀(jì)初所提出，并應(yīng)用于任何一個(gè)孤立系統(tǒng)。根據(jù)諾特定理，能量守恒是由于物理定律不會(huì)隨時(shí)間而改變所得到的自然結(jié)果。

雖然一個(gè)系統(tǒng)的總能量，不會(huì)隨這時(shí)間改變，但其能量的值，可能會(huì)因?yàn)閰⒖枷刀兴煌?。例如一個(gè)坐在飛機(jī)里的乘客，相對(duì)于飛機(jī)其動(dòng)能為零；但是相對(duì)于地球來(lái)說(shuō)，動(dòng)能卻不為零，也不能以單獨(dú)動(dòng)量去與地球相比較。

能量的形式

物體提高溫度，本身是增加熱能。

熱量（heat）熱是能量的一種形式，一部分屬于位能，一部分屬于動(dòng)能。在物理科學(xué)的文章中，有數(shù)種形式的能量被定義。這些包括：

這些能量的形式可以被分為兩大類(lèi)：動(dòng)能和位能。其他類(lèi)似的能量形式都是動(dòng)能和位能的混合形成。

能量可能在這幾種形式間轉(zhuǎn)換，有些能量的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)100％，有些則不行。能把這些不同的能量互相轉(zhuǎn)換的機(jī)器稱為能量變換器（transducer）。

以上的幾種已知的能量形式不一定涵蓋所有自然界的能量。只要科學(xué)家發(fā)現(xiàn)某些違反能量守恒的現(xiàn)象，新的能量形式將會(huì)被加入。如暗能量（dark energy）——滲透全宇宙并加快宇宙擴(kuò)張速度的假設(shè)能量。

在古典力學(xué)中，位能和動(dòng)能之間是有所區(qū)別的，位能為一物體所在位置的函數(shù)，而動(dòng)能則與物體的位移速度有關(guān)。位置與位移都有其特定的參考坐標(biāo)：這通常為地球表面上（即陸地上）的任意一點(diǎn)。科學(xué)家試圖用古典力學(xué)將所有的能量形式分類(lèi)為動(dòng)能和位能兩種。但這是錯(cuò)誤的，而這也不是最簡(jiǎn)化的分類(lèi)。

理查德·費(fèi)曼指出：這些動(dòng)能和位能的概念都取決于尺度的大小。例如，宏觀的動(dòng)能和位能可以說(shuō)是不包括熱能和動(dòng)能的。化學(xué)位能也是個(gè)宏觀概念，更仔細(xì)的檢驗(yàn)顯示其為原子和亞原子的動(dòng)能和位能的總和。相同的情況也適用在核位能和其他形式的能量。當(dāng)我們考慮的問(wèn)題只涉及一種尺度，那么這個(gè)尺度的相依性并不會(huì)造成困擾；但是當(dāng)問(wèn)題涉及了不同尺度時(shí)，例如摩擦使巨觀的功轉(zhuǎn)換成微觀的熱能，在這樣的情形就容易發(fā)生混淆。

歷史

能量的英文“energy”一字源于希臘語(yǔ)：?ν?ργεια（-{energeia}-），該字可能首次出現(xiàn)在公元前四世紀(jì)亞里士多德的作品中。

能量概念的出自于戈特弗里德·萊布尼茨的生活力（拉丁語(yǔ)：vis viva）想法，而它定義于一個(gè)物體質(zhì)量和其速度的平方。他相信總vis viva是守衡的。為了解釋因摩擦而令速度減緩的現(xiàn)象，萊布尼茲的理論認(rèn)為熱能是由物體內(nèi)的組成物質(zhì)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)所構(gòu)成，而這種想法和艾薩克·牛頓一致，雖然這種觀念過(guò)了一個(gè)世紀(jì)后才被普遍接受。在1807年，托馬斯·楊可能是第一個(gè)使用能量這個(gè)字來(lái)取代vis viva。賈斯帕-古斯塔夫·科里奧利在1829年提出了“動(dòng)能”；而在1853年，William Rankine提出了位能這個(gè)詞。對(duì)于能量是一個(gè)物質(zhì)，還是像動(dòng)量般只是一個(gè)物理量，這個(gè)問(wèn)題爭(zhēng)論了幾年。

威廉·湯姆森，第一代開(kāi)爾文男爵將以上這些定律合并到了熱力學(xué)的定律中，并促成了魯?shù)婪颉た藙谛匏?、約西亞·吉布斯和瓦爾特·能斯特三人在化學(xué)過(guò)程解釋上的快速發(fā)展。另外也導(dǎo)出了克勞修斯所提出的熵的數(shù)學(xué)公式，以及由Joef Stefan的輻射能的定律。

1961年，理查德·費(fèi)曼在加州理工學(xué)院一個(gè)以大學(xué)生為對(duì)象的課程中，以如下的方式描述了能量的概念：

有一個(gè)事實(shí)，那就是有一個(gè)到目前為止掌控了我們所知道的自然現(xiàn)象的定律，而這個(gè)定律在我們所知范圍內(nèi)沒(méi)有任何的例外，而且據(jù)我們目前所知，它是準(zhǔn)確的。這個(gè)定律被稱為能量守恒。它說(shuō)明了有一個(gè)特定的物理量，我們稱之為“能量”。這量在自然狀態(tài)經(jīng)歷了各種變化后，并不會(huì)改變。這是一個(gè)最抽象的概念，因?yàn)樗且粋€(gè)數(shù)學(xué)的原理：它說(shuō)明了有一個(gè)數(shù)值量在一些事件發(fā)生時(shí)不會(huì)改變。它并不是任何物理過(guò)程或者具體事物的描述；它僅僅是一個(gè)奇怪的事實(shí)：我們可以先對(duì)系統(tǒng)計(jì)算一些數(shù)值，而當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)歷了一些變化之后，我們同樣的再去計(jì)算那些數(shù)值，結(jié)果會(huì)發(fā)現(xiàn)數(shù)值和一開(kāi)始的時(shí)候是相同的。

自1918年開(kāi)始，我們知道能量守恒是能量的共軛量，時(shí)間，的平移對(duì)稱所得到的數(shù)學(xué)上的自然結(jié)果。也就是說(shuō)，能量之所以守恒是因?yàn)槲锢矶蔁o(wú)法區(qū)別不同的時(shí)間瞬間所造成（見(jiàn)諾特定理）。

單位

在整個(gè)科學(xué)的歷史里，能量有許多不同的單位表示，例如ergs和calories。而今，測(cè)量能量的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證單位是焦耳。除了焦耳，其他的能量單位有kilowatt hour（kWh）和British thermal unit（Btu）。這兩個(gè)都是用來(lái)表達(dá)較大的能量單位。一kWh等同于3.6百萬(wàn)焦耳，而一Btu等同于1055焦耳。

其他學(xué)科中的能量

能量的概念以及其轉(zhuǎn)移，對(duì)于解釋和預(yù)測(cè)大部分的自然現(xiàn)象是有用的。能量的轉(zhuǎn)移方向通常由熵來(lái)描述。實(shí)際上小規(guī)模的能量轉(zhuǎn)移是允許的，但是某些大規(guī)模的能量轉(zhuǎn)移是不被允許的，因?yàn)樵诮y(tǒng)計(jì)上，能量或是物質(zhì)不會(huì)隨機(jī)的移動(dòng)成為較高密度的形式，或者移動(dòng)到較小的空間。

能量的概念是廣泛的存在于各門(mén)學(xué)科之中:

能量在化學(xué)方面的應(yīng)用

在化學(xué)方面，物質(zhì)是由原子、分子或者許多分子聚集而產(chǎn)生的，因此能量是物質(zhì)的一個(gè)特質(zhì)。因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)總是伴隨著這些結(jié)構(gòu)上的變化，也就會(huì)有許多能量增加或減少。由于這些能量是透過(guò)光或者是熱在環(huán)境及反應(yīng)物間轉(zhuǎn)移，因此，生成物的能量可能會(huì)大于或小于反應(yīng)物的能量，而我們說(shuō)如果最終狀態(tài)的能量低于最原始狀態(tài)，我們稱之為放熱，而反之則為吸熱。化學(xué)反應(yīng)也不是一定會(huì)發(fā)生，除非克服一個(gè)能量障礙，這個(gè)障礙稱之為活化能（E）；根據(jù)波茲曼分布因子e?E/kT（也就是分子在給定的溫度 T 下，能量大于或等于活化能的機(jī)率），化學(xué)反應(yīng)速度與活化能是相關(guān)的。而反應(yīng)速率對(duì)溫度的關(guān)系被稱之為阿瑞尼斯方程式。另外化學(xué)反應(yīng)所需要的活化能，是可以以熱能的形式存在的。

能量在生物學(xué)方面的應(yīng)用

在生物學(xué)方面，能量是任何生物（范圍從生物圈到最小的活生物體）都需要的。在一個(gè)生物體中，能量負(fù)責(zé)一個(gè)生物細(xì)胞或生物有機(jī)體的生長(zhǎng)和發(fā)展。因此，能量總是被認(rèn)為是以如碳水化合物（包括糖類(lèi)），酯類(lèi)和蛋白質(zhì)等分子的結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)存在細(xì)胞，并在呼吸氧氣進(jìn)而進(jìn)行呼吸作用時(shí)，釋放了含有能量的物質(zhì)。以人類(lèi)來(lái)說(shuō)，人類(lèi)的代謝當(dāng)量（人體能量轉(zhuǎn)換）指出，一定的能量消耗是被用來(lái)維持人類(lèi)的新陳代謝。假設(shè)一個(gè)平均的人類(lèi)每天所需消耗12500kJ，而以基礎(chǔ)代謝率80瓦。舉例來(lái)說(shuō)，假設(shè)我們身體以80瓦消耗（平均）在運(yùn)行，此時(shí)一個(gè)100瓦的燈泡的運(yùn)作，就相當(dāng)于人類(lèi)80瓦的1.25倍（100÷80）。對(duì)于一個(gè)只有持續(xù)幾秒鐘的艱難任務(wù)，人類(lèi)可以產(chǎn)生千瓦的功率；假設(shè)任務(wù)持續(xù)幾分鐘，一個(gè)正常人或許可以產(chǎn)生1000瓦特，如果在維持一小時(shí)的活動(dòng)下，輸出功率大概下降到300左右，如果是一整天的活動(dòng)，150瓦已經(jīng)算是很大了。人體的代謝當(dāng)量，幫助我們了解能量在物理和生物系統(tǒng)上的流動(dòng)，它提供了我們對(duì)于使用能量的感覺(jué)。

能量在地質(zhì)學(xué)方面的應(yīng)用

在地質(zhì)學(xué)方面，大陸飄移、山脈、火山和地震等自然現(xiàn)象，都可以根據(jù)能量在地球內(nèi)部的轉(zhuǎn)換來(lái)解釋；而風(fēng)、雨、冰雹、雪、雷電、龍卷風(fēng)、颶風(fēng)等氣象現(xiàn)象，是由太陽(yáng)能作用在地球大氣，所造成的能量轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

能量在天文學(xué)方面的應(yīng)用

在物理宇宙學(xué)方面，恒星、新星、超新星、類(lèi)星體、伽瑪射線暴等現(xiàn)象，都是物質(zhì)所轉(zhuǎn)換的宇宙的最高輸出能量。所有恒星（包括太陽(yáng)活動(dòng)）現(xiàn)象是由各種能量轉(zhuǎn)換所驅(qū)使的。這些能量可能來(lái)自于物質(zhì)（通常是氫分子）因?yàn)橐劭s而轉(zhuǎn)變成各種類(lèi)的天體（恒星，黑洞等），又或者來(lái)自于核融合反應(yīng)（較輕的元素，主要是氫）。隨時(shí)間推移，宇宙中的能量轉(zhuǎn)換是一開(kāi)始在大爆炸（Big Bang）后所產(chǎn)生了各種可用的位能，然后當(dāng)一定的觸發(fā)條件被啟動(dòng)時(shí)，就會(huì)被釋放（轉(zhuǎn)換成許多不不同類(lèi)型的能量，例如動(dòng)能，輻射能）。

一個(gè)轉(zhuǎn)換的例子是從宇宙剛形成開(kāi)始，太陽(yáng)中氫的核融合釋放了一個(gè)由大爆炸后所儲(chǔ)存的位能。根據(jù)理論，當(dāng)時(shí)因?yàn)榭臻g的擴(kuò)散、且宇宙冷卻太快，進(jìn)而導(dǎo)致氫無(wú)法完全融合成較重的元素，這個(gè)理論說(shuō)明了氫是一種儲(chǔ)存位能的容器，而可以因?yàn)楹巳诤隙尫拍芰?。這樣的一個(gè)融合過(guò)程將會(huì)被產(chǎn)生恒星時(shí)，氫氣云的引力聚縮所產(chǎn)生的高溫高壓所觸發(fā)，有些融合的能量此時(shí)就轉(zhuǎn)換成了太陽(yáng)光。從太陽(yáng)發(fā)出的太陽(yáng)光可能在它射入地球之后，再次儲(chǔ)存為位能，舉例來(lái)說(shuō)水因?yàn)樘?yáng)光而從海洋蒸散，然后被儲(chǔ)存到山中（在儲(chǔ)水大壩釋放后，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)，或發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力）。

能量與生命

基本人體能量圖

所有生命體都依靠外界來(lái)源來(lái)補(bǔ)充能量──綠色植物需要太陽(yáng)的輻射線；一些動(dòng)物所需要的化學(xué)能量——使之能夠成長(zhǎng)與繁殖。一個(gè)成年人一天應(yīng)由氧氣及食物分子的混何物攝取1500到2000千卡（6－8MJ）能量，后者多為碳水化合物和脂肪，例如葡萄糖（C6H12O6）和甘油（C57H110O6）。在粒線體（mitochondria）里，食物分子會(huì)被氧化成二氧化碳和水。

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O
C57H110O6 + 81.5O2 → 57CO2 + 55H2O

一些能量會(huì)被用來(lái)做為ADP到ATP的轉(zhuǎn)換

ADP + HPO42? → ATP + H2O

而在碳水化合物或脂肪里剩下的化學(xué)能會(huì)被轉(zhuǎn)換成熱：ATP為一種“能量幣”，當(dāng)它碰到水時(shí)會(huì)分解出一些化學(xué)能量可做為其他代謝（在每個(gè)代謝過(guò)程階段中，一些化學(xué)能被轉(zhuǎn)換成熱）。只有一小部份的化學(xué)能是用來(lái)做功的：

跑一段100米的距離的動(dòng)能為4kJ
將一150公斤的重量抬起2米的重力勢(shì)能為3kJ
一正常成年人一天食物攝取6到8MJ

這顯示生命體明顯低效（以物理觀點(diǎn)來(lái)看）地使用得到的能量（化學(xué)能或輻射線）而大部份的真正機(jī)械則能夠更有效地使用。一成長(zhǎng)生命體將能量轉(zhuǎn)換成熱，最主要的目的是為了讓有機(jī)體組織的排列有序。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，能量（和物體）常常趨向釋放到外界：為了要將能量（或物質(zhì)）集中在一特定地方，需釋放更多的能量（如熱）到外界。簡(jiǎn)單的生命體可以釋放比復(fù)雜體更高的有效能量，但是復(fù)雜的生命體可以在生態(tài)系統(tǒng)中找到適合的生態(tài)地位，是簡(jiǎn)單生命體沒(méi)辦法達(dá)到的因?yàn)樯w在代謝過(guò)程的每個(gè)階段都可釋放出熱能，甚至將這些熱能用以推動(dòng)發(fā)電產(chǎn)生電力，所以這些貯存于動(dòng)植物或動(dòng)物代謝物的化學(xué)能量，我們稱之為生態(tài)學(xué)。在食物鏈的的第一個(gè)環(huán)節(jié)里，大約有124.7Pg/a的碳用來(lái)進(jìn)行光合作用，64.3Pg/a（52%）的碳作為綠色植物代謝用途，[2]即是轉(zhuǎn)換回二氧化碳和熱。

能量和功率的差別

雖然能量和功率在日常生活中的使用上為同義詞，但科學(xué)家和工程師卻會(huì)將這兩者區(qū)分開(kāi)來(lái)。在科學(xué)的定義上，功率并非和能量完全相同，功率是指能量轉(zhuǎn)換時(shí)的速率，（或者可說(shuō)是功在執(zhí)行時(shí)的速率）。因此一個(gè)讓水壩上的水通過(guò)渦輪機(jī)的水力發(fā)電廠，會(huì)將水的位能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，最后再轉(zhuǎn)換成電能。在這過(guò)程中每單位時(shí)間所產(chǎn)生的電能便稱之為電功率。相同的能量在更短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)會(huì)造成更大的功率。

能量的轉(zhuǎn)換

某種形式的能量通常能透過(guò)工具的輔助而轉(zhuǎn)換成另一種形式的能量，例如電池能把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能；水壩能把重力位能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能并最終透過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能。相同的，在化學(xué)爆炸的例子里，在一段很短的時(shí)間里化學(xué)位轉(zhuǎn)換成動(dòng)能和熱能。鐘擺也是其中一個(gè)例子。鐘擺在最高點(diǎn)的動(dòng)能為零而重力位能為最大值，但是在最低點(diǎn)的動(dòng)能為最大值而重力位能為零。如果假設(shè)鐘擺沒(méi)有任何摩擦力，則能量之間的轉(zhuǎn)換是完美的，所以鐘擺將一直搖擺下去。

能量與質(zhì)量轉(zhuǎn)換守恒

在一個(gè)動(dòng)量為零（mv=0 表示v=0）的密閉系統(tǒng)中，能量（E=mv2/2）會(huì)使質(zhì)量增加。用能量守恒定理可以知道物質(zhì)的質(zhì)量與能量的關(guān)系。公式E = mc2，是愛(ài)因斯坦用相對(duì)論的概念所研究出量止靜止質(zhì)量與靜止能量之間的關(guān)系。在其他的理論中，類(lèi)似的公式也被J. J. Thomson（1881）、Henri Poincare（1900）、Friedrich Hasenohrl（1904）等人推算出來(lái)。（詳情請(qǐng)見(jiàn)en:Mass-energy equivalence#History）

物質(zhì)可能被破壞并轉(zhuǎn)換成能量（反之亦然），但質(zhì)量不會(huì)被破壞；質(zhì)量在任何物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換中，物質(zhì)和能量都不會(huì)流失。然而，相對(duì)于普通人類(lèi)來(lái)說(shuō)c2 是很大的，例如一公斤的物質(zhì)轉(zhuǎn)換成另一形式的能量（如熱，光或其他輻射）可以釋放極大數(shù)量的能量 （~9 \times 10^{16} 焦耳 = 21百萬(wàn)噸的TNT），等同于核反應(yīng)器和核武器的能量。相反的，一單位能量相等于一個(gè)極小的質(zhì)量，因此大部份系統(tǒng)里很難利用重量來(lái)計(jì)算能量的流失（質(zhì)量的流失），除非能量的流失非常大。例如能量轉(zhuǎn)換成物質(zhì)（動(dòng)能轉(zhuǎn)換成靜止質(zhì)量的粒子）在高能量的核物理被使用。

可逆和不可逆的轉(zhuǎn)換

將能量轉(zhuǎn)換成有用的功是熱力學(xué)的重要課題。在大自然界里，能量的轉(zhuǎn)換可以分成兩類(lèi)：一是可逆的，另一是不可逆的?？赡娴臒崃W(xué)過(guò)程是不會(huì)有能量的損耗。例如，不同位能形式之間的轉(zhuǎn)換是可逆的，例如前文所提到的鐘擺運(yùn)動(dòng)。而當(dāng)一個(gè)過(guò)程中有熱的產(chǎn)生的時(shí)候，一部分的能量將不能完全恢復(fù)成可利用的能量，此時(shí)便是不可逆的。

能量轉(zhuǎn)換和宇宙的年齡

隨著宇宙的演化，越來(lái)越多的能量被困在不可逆的狀態(tài)里（如熱或其他無(wú)序的能量形式），這就是熱寂理論。熱寂理論是猜想宇宙終極命運(yùn)的一種假說(shuō)。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，作為一個(gè)“孤立”的系統(tǒng)，宇宙的熵會(huì)隨著時(shí)間的流逝而增加，由有序向無(wú)序，當(dāng)宇宙的熵達(dá)到最大值時(shí)，宇宙中的其他有效能量已經(jīng)全數(shù)轉(zhuǎn)化為熱能，所有物質(zhì)溫度達(dá)到熱平衡。這種狀態(tài)稱為熱寂。這樣的宇宙中再也沒(méi)有任何可以維持運(yùn)動(dòng)或是生命的能量存在。

陽(yáng)光之于能量

陽(yáng)光也驅(qū)動(dòng)了許多天氣現(xiàn)象。其中一個(gè)說(shuō)明太陽(yáng)驅(qū)動(dòng)天氣的例子就是臺(tái)風(fēng)，臺(tái)風(fēng)發(fā)生在大面積且不穩(wěn)定的溫暖海洋，當(dāng)太陽(yáng)加熱幾個(gè)月之后，突然間釋放許多熱能，而造成了持續(xù)幾天的激烈空氣移動(dòng)，而形成臺(tái)風(fēng)。太陽(yáng)光也會(huì)被植物所吸收利用，在光合作用中轉(zhuǎn)換為化學(xué)能(例如當(dāng)二氧化碳，和水兩個(gè)低能量的化合物轉(zhuǎn)換成高能量的化合物，如碳水化合物)。植物也會(huì)在光合作用的時(shí)候釋放氧氣，而氧氣被生物所利用做為電子受體，而釋放儲(chǔ)存在碳水化合物、脂類(lèi)和蛋白質(zhì)的能量。

經(jīng)由這些轉(zhuǎn)換鏈，從最初的宇宙大爆炸，經(jīng)由一些中間事件，釋放位能，有時(shí)候也會(huì)以許多不同的方式儲(chǔ)存。這些所有的事件，都說(shuō)明了任何一種能量，可以轉(zhuǎn)換成其他型態(tài)的能量，包括熱能。

能量守恒

能量必須遵守能量守恒定律。根據(jù)這個(gè)定律，能量只能從一種形式變?yōu)榱硪环N形式而無(wú)法憑空產(chǎn)生或者是消滅。能量守恒是時(shí)間的平移對(duì)稱性得出的數(shù)學(xué)結(jié)論（參閱諾特定理）

根據(jù)能量守恒定律，流入的能量等于流出的能量加上內(nèi)能變化。

此定律是物理界中相當(dāng)基本的準(zhǔn)則。依照時(shí)間的平移對(duì)稱性，宇宙中絕大部分現(xiàn)象都可以獨(dú)立于時(shí)間變化之外，因此想將昨天、今天和明天發(fā)生的現(xiàn)象區(qū)分開(kāi)來(lái)，事實(shí)上是不可能的。

這是因?yàn)槟芰渴菚r(shí)間的正則共軛（canonical conjugate）量，數(shù)學(xué)上它們變存在了不確定性：要在有限的時(shí)間間隔里定義精確的能量值是不可能的。但這種不確定性不應(yīng)該和能量守恒搞混。更準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，它提供了原則上可以被定義和測(cè)量的能量的數(shù)學(xué)極限值。

在量子力學(xué)中能量會(huì)以Hamiltonian算符來(lái)表示。在任何時(shí)間范圍里，能量中的不確定性會(huì)以

\Delta E \Delta t \ge \frac { \hbar } {2 }

來(lái)計(jì)算。這跟海森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理非常類(lèi)似，但并非真正數(shù)學(xué)上的相同，因?yàn)镠 和t不論在古典或量子力學(xué)中皆不是共軛之變量.。

能量觀念的應(yīng)用

能量必須遵守“守恒定律”，也就是說(shuō)，不論測(cè)量或計(jì)算一個(gè)粒子系統(tǒng)的能量，其粒子間的行為和時(shí)間無(wú)關(guān)，它的系統(tǒng)總能量永遠(yuǎn)保持一定。

在古典物理中，能量被認(rèn)為是一種純量，它和時(shí)間的導(dǎo)數(shù)有關(guān)。在狹義相對(duì)論中，能量亦是純量（雖然它不是勞倫茲純量（Lorentz scalar），但時(shí)間卻是四維動(dòng)量中的組成份子之一）。換句話說(shuō)，能量在空間的循環(huán)下是固定不變，但在不保證在時(shí)間和空間的循環(huán)下，依然是不變。

能量的傳輸

因?yàn)槟芰勘仨氁睾悖抑灰鼙欢x，連局部的能量也會(huì)守恒。別忘了能量在系統(tǒng)與相鄰區(qū)域中的能量傳輸就是功。常見(jiàn)的例子就是機(jī)械功，考慮簡(jiǎn)單的情況，可以將方程式寫(xiě)成：


ΔE = W

 

 

 

 

(1)

當(dāng)沒(méi)有其它能量傳輸在其中時(shí)，E代表所有傳輸?shù)哪芰靠偤希?span id="4mfctuu7u" class="texhtml">W則代表系統(tǒng)內(nèi)所作的功。

更普遍而言，能量傳輸可分為兩類(lèi)：


ΔE = W + Q

 

 

 

 

(2)

其中Q代表系統(tǒng)增加的熱能。

一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)要得到或損失能量有很多方式，比如在一個(gè)化學(xué)系統(tǒng)中，可加入各種含有不同化學(xué)能的物質(zhì)到系統(tǒng)中以增加能量；上緊時(shí)鐘的發(fā)條可以增加機(jī)械能，這些能都可以被增加到上述的方程式，它們都可被歸類(lèi)在“能量增加項(xiàng)（E）”（"energy addition term E"）中，E表示穿過(guò)部分或系統(tǒng)的表面積的任何形式的能量。除了上述這些，更多例子也可以被想像出來(lái)，比方說(shuō)增加粒子流的動(dòng)能到系統(tǒng)中或是加入雷射光的能量到系統(tǒng)中，在此不討論加入的能量是作功還是熱損。故可將方程式改寫(xiě)成：


ΔE = W + Q + E

 

 

 

 

(3)

其中E代表其他外加能量，不包含系統(tǒng)所做的功或是外加的熱。

能量亦可從位能（Ep）傳輸成動(dòng)能（Ek）再換回位能。這是因?yàn)槟芰渴睾?。在這類(lèi)型的封閉系統(tǒng)里，能量不會(huì)增加或減少，因此初始的總能量和最終的總能量必定相同。它可被表示成：


Epi + Eki = EpF + EkF

 

 

 

 

(4)

由于Ep = mgh（質(zhì)量乘以重力加速率乘以高度）和E_k = \frac{1}{2} mv^2（質(zhì)量的一半乘以速率平方），能量總值可將二者加起來(lái)Ep + Ek = Etotal求得。

能量和運(yùn)動(dòng)定理

古典力學(xué)中，因?yàn)槟芰渴且皇睾懔?，不論在概念或?shù)學(xué)形式上它都是非常有用的特性。有些公式更是以能量為核心觀念而改進(jìn)。

哈密頓等式

有時(shí)候一個(gè)系統(tǒng)的總能量可以用“哈密頓等式”來(lái)表示。不論是復(fù)雜或是抽象的系統(tǒng)皆可以以此表示之，這些等式和非相對(duì)性的量子力學(xué)有明顯的相似處。

拉格朗日量

另一和能量相關(guān)的觀念便是“拉格朗日量”。它甚至比哈密頓量更基本而且可用來(lái)導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)方程式。這一詞是在古典力學(xué)中被發(fā)明，卻普遍使用于近代物理?！袄窭嗜樟俊北欢x成動(dòng)能和位能的差。在非保守的系統(tǒng)中（像是有摩擦力的系統(tǒng)），拉格朗日量比哈密頓在使用上更方便。

諾特定理

諾特（第一）定理指出任何具有可微分的對(duì)稱性運(yùn)動(dòng)的物理系統(tǒng)都有一個(gè)相對(duì)應(yīng)的守恒定理。

諾特定理是討論現(xiàn)代理論物理和變分法中相當(dāng)重要且基本的工具。依照哈密頓等式和拉格朗日量所歸納出的方程式得知：諾特定理不適用于不遵守拉格朗日的系統(tǒng)。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)有連續(xù)對(duì)稱性但分散的系統(tǒng)是沒(méi)有相對(duì)應(yīng)的守恒定律。

能量及熱力學(xué)

內(nèi)能

內(nèi)能是創(chuàng)造物體系統(tǒng)所必須的能量。它指的是系統(tǒng)中微觀能量的總和，而且和位能（比如說(shuō)：分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)及其他幾何結(jié)構(gòu)）和微粒的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能有關(guān)。熱力學(xué)主要在在討論內(nèi)能的變化值，而非內(nèi)能的絕對(duì)數(shù)值（絕對(duì)數(shù)值不可能單只靠熱力學(xué)即可決定）。

熱力學(xué)定律

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，功可以完全轉(zhuǎn)換成熱，但反之不成立。這是由統(tǒng)計(jì)力學(xué)得出的結(jié)論。熱力學(xué)第一定律闡述能量是守恒的且熱算是能量的一種轉(zhuǎn)換方式。常用來(lái)解釋熱力學(xué)第一定律的例子是壓力及熱的轉(zhuǎn)換。在這類(lèi)系統(tǒng)中，能量的微小變化可以表示為：

\mathrm4mfctuu7uE = T\mathrm4mfctuu7uS - P\mathrm4mfctuu7uV\,，

右邊第一項(xiàng)代表轉(zhuǎn)換進(jìn)入系統(tǒng)的熱能，為溫度（T）及熵（S）的函數(shù)（此系統(tǒng)在加熱過(guò)程中，熵會(huì)增加，且變化量dS是正值）；第二項(xiàng)則表示作用在系統(tǒng)的“功”（P是壓力；V是體積），減號(hào)是因?yàn)楣ψ饔糜趬嚎s系統(tǒng)時(shí)體積會(huì)改變，因此dV是負(fù)值。

雖然這個(gè)式子常被熱力學(xué)用拿來(lái)當(dāng)作解釋能量守恒的范例，但它實(shí)際上是相當(dāng)特例的，所有熱以外的能量形式都必須忽略（比如說(shuō)：化學(xué)能、電能和重力…等），而且等式中有一個(gè)變量和溫度有關(guān)。最普遍的第一定律敘述（即能量守恒）是不需要考慮溫度的。能量有時(shí)會(huì)這樣表示：

dE = δQ + δW，

但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)這是不符合規(guī)定的，因?yàn)橛覀?cè)的Q和W無(wú)法存在于熱力學(xué)正式的使用里。

能量均分定理

一個(gè)機(jī)械的簡(jiǎn)諧振子所含有的能量在動(dòng)能和位能間互相轉(zhuǎn)換式的簡(jiǎn)諧振蕩（例：彈簧系統(tǒng)）所含有的能量會(huì)在動(dòng)能和位能間互相轉(zhuǎn)換。一個(gè)周期里有會(huì)有兩個(gè)位是全將能量全部轉(zhuǎn)換成動(dòng)能；兩個(gè)點(diǎn)全全部轉(zhuǎn)換成位能。在一個(gè)或多個(gè)循環(huán)中，凈能會(huì)分布于動(dòng)能與位能間。此稱為能量均分定理。一個(gè)有許多自由度的系統(tǒng)所含的能量會(huì)均分在所有有效的自由度中。

這個(gè)定理在了解“熵”有很大的幫助，“熵”是評(píng)估能量于各部分系統(tǒng)亂度的方法。當(dāng)一個(gè)孤立系統(tǒng)被給予更多自由度時(shí)（例：給系統(tǒng)一個(gè)新的能階，這個(gè)能階和舊的能階完全一樣），總能量會(huì)平均分給“所有”可用的自由度，不會(huì)因?yàn)槭恰靶隆被颉芭f”而有差別，這結(jié)果被稱為熱力學(xué)第二定律。

功和虛功

功是力乘以位移，也是能量的其中一種形式。

W = \int_C \mathbf{F} \cdot \mathrm4mfctuu7u \mathbf{s}

以上公式表示功（W）等同于力沿曲線C 的線積分（詳情請(qǐng)見(jiàn)機(jī)械功的文章）。

功和能量是相互依賴的。例如，一粒球撞擊一支棒球棍。在以質(zhì)量中心為參考坐標(biāo)，棒球棍沒(méi)有對(duì)球做功。但是在以人揮動(dòng)球棒為參考坐標(biāo)，球棒就對(duì)球做功了。

量子力學(xué)

在量子力學(xué)中我們可以定義出能量運(yùn)算子，而能量運(yùn)算子是跟波函數(shù)的時(shí)間微分有關(guān)系。薛丁格方程式中能量運(yùn)算子等于粒子或是系統(tǒng)里的所有能量，因此可將其定義成在量子力學(xué)中測(cè)量能量的方法。薛丁格方程式可以用來(lái)形容非相對(duì)論量子系統(tǒng)的波函數(shù)，此方程式在侷限系統(tǒng)中的解是不連續(xù)的，在這邊即可引入能階和量子的概念。對(duì)于振子和任何真空中的電磁波而言，薛丁格方程式的解所得到的能態(tài)與頻率有關(guān)，可由普朗克方程式E＝hν（h為普朗克常數(shù)，ν為頻率）將它們作一個(gè)連結(jié)。因此，對(duì)電磁波而言這些能態(tài)稱為光的能量量子化或是光子。

相對(duì)論

當(dāng)計(jì)算相對(duì)論中的動(dòng)能時(shí)（一物質(zhì)從靜止加速到一定速率所做的功）——利用勞侖茲轉(zhuǎn)換而非牛頓力學(xué)，愛(ài)因斯坦由這些計(jì)算里發(fā)現(xiàn)一意想不到的結(jié)果，就是有一能量項(xiàng)即使在速率為零時(shí)也不會(huì)是零。他將該項(xiàng)能量命名為靜止能量——即使在靜止時(shí)，所有物質(zhì)都具備的能量。能量的大小與物質(zhì)質(zhì)量成正比：

E = mc2

其中

m為質(zhì)量，
c為真空時(shí)的光速，
E為靜止能量，

例如，研究電子與正子的湮滅時(shí)，兩個(gè)單一粒子的靜止質(zhì)量被銷(xiāo)毀了，產(chǎn)生沒(méi)有質(zhì)量的慣性光子，但在慣性系統(tǒng)中仍具有兩個(gè)粒子的質(zhì)量，仍符合能量守恒（由于所有的能量與質(zhì)量有關(guān)）。相反地，兩個(gè)（或更多）的光子消滅會(huì)成對(duì)的產(chǎn)生電性相反的粒子。然而，在這些反應(yīng)中系統(tǒng)的質(zhì)量和能量總和并不改變。

在廣義相對(duì)論中，應(yīng)力-能量張量（為描述能量與動(dòng)量在時(shí)空中的密度與通量，其為牛頓物理中應(yīng)力張量的推廣）為重力場(chǎng)的源，有點(diǎn)類(lèi)似牛頓重力理論中質(zhì)量是重力場(chǎng)源一般。

我們常?？梢月?tīng)到能量“相等于”質(zhì)量。更準(zhǔn)確地說(shuō)，每個(gè)能量其實(shí)都擁有慣性和萬(wàn)有引力的等價(jià)項(xiàng)，因?yàn)橘|(zhì)量也是一種能量形式，所以質(zhì)量也與慣性和萬(wàn)有引力有關(guān)。

從宏觀看：能量是憑借質(zhì)量而穩(wěn)定存在的；從微觀看：任何可觀測(cè)量的熵總是在不斷增加。

測(cè)量

熱量表的示意圖--科學(xué)家們用來(lái)測(cè)量能量的儀器。

由于能量被定義為物體所做的功，因此沒(méi)有儀器能夠準(zhǔn)確地測(cè)量能量。能量只能夠在一系統(tǒng)的某一狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一狀態(tài)時(shí)被測(cè)量出來(lái)，因此能量是在一相對(duì)情況下才能被測(cè)量的。量測(cè)的起始點(diǎn)一般是可以任意選定的，如此一來(lái)可以更方便的簡(jiǎn)化量測(cè)問(wèn)題。

條件

測(cè)量能量的條件通常都是根據(jù)科學(xué)原理常用到的條件，即質(zhì)量、距離、輻射、溫度、時(shí)間、電荷和電流。

一般上測(cè)量熱能使用的技術(shù)是熱量測(cè)定——利用溫度計(jì)測(cè)量溫度或利用測(cè)輻射熱計(jì)測(cè)量輻射強(qiáng)度的熱力學(xué)技術(shù)。

能量密度

主條目：能量密度

能量密度是用來(lái)表示在特定的系統(tǒng)或空間每單位體積的所儲(chǔ)藏之有用的能量。對(duì)于燃料而言，每單位體積的能量是很有用的參數(shù)。在一些運(yùn)用中，如比較氫氣燃料和汽油的效率，氫氣比汽油具有更高的比能（specific energy，單位質(zhì)量的能量）。但即使在液態(tài)形式，氫的能量密度較低。

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備注

  1. ↑ Harper, Douglas. Energy. Online Etymology Dictionary [May 1, 2007]. 
  2. ↑ Ito, Akihito; Oikawa, Takehisa (2004). "Global Mapping of Terrestrial Primary Productivity and Light-Use Efficiency with a Process-Based Model." in Shiyomi, M. et al. (Eds.) Global Environmental Change in the Ocean and on Land. pp. 343–58.

外部連結(jié)

參考來(lái)源

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