能量（英文名：Energy）是衡量物質(zhì)存在和運(yùn)動(dòng)變化的量度，是物理學(xué)中一個(gè)重要的基本概念。經(jīng)典力學(xué)對(duì)能量的定義是指物體做功能力的量度。它以各種形式存在，如動(dòng)能（運(yùn)動(dòng)的能量）、勢(shì)能（儲(chǔ)存的能量）、熱能（熱量）、化學(xué)能（儲(chǔ)存在化學(xué)鍵中）、核能（來(lái)自原子反應(yīng)）等等。能量的SI單位是焦耳（J），其中1J=1?kg?m2?s?2。其他單位包括千瓦時(shí)（kW-h）、英國(guó)熱量單位（BTU）、卡路里（cal）、千卡（C）、電子伏特（EV）、爾格（erg）和英尺磅（ft-lb）。
在一個(gè)孤立體系中，其總能量是守恒的。能量守恒定律指出：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消滅，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，而在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，總量保持不變。質(zhì)能關(guān)系式表明：質(zhì)量和能量具有相當(dāng)性，具有一定質(zhì)量的物體也必具有和這質(zhì)量相當(dāng)?shù)哪芰浚哂心撤N能量的物體也必具有和這能量相當(dāng)?shù)馁|(zhì)量。
能量一詞源自古希臘語(yǔ)：?ν?ργεια，這可能首次出現(xiàn)在公元前4世紀(jì)亞里士多德的著作中。1686年，戈特弗里德·威廉·萊布尼茨提出了拉丁語(yǔ)的概念：vis viva，1807年托馬斯·楊（Thomas Young）在《關(guān)于自然哲學(xué)和機(jī)械技術(shù)教程》一書中，首次用“能”（energy）這個(gè)詞來(lái)表示活力。
能源是人類賴以生存的基礎(chǔ)，也是人類從事生產(chǎn)和社會(huì)活動(dòng)的基礎(chǔ)。能源的開發(fā)利用程度標(biāo)志著人類社會(huì)進(jìn)化和發(fā)展的程度。能量的學(xué)科應(yīng)用方面，化學(xué)科學(xué)主要研究化學(xué)反應(yīng)中的能量變化或轉(zhuǎn)化；生命科學(xué)主要研究能量對(duì)生物的影響；計(jì)算機(jī)科學(xué)中能量被用于評(píng)估和優(yōu)化硬件和軟件系統(tǒng)的能源效率；地球科學(xué)中研究能量對(duì)地球的動(dòng)力學(xué)過(guò)程的影響；宇宙學(xué)中闡述能量的普遍形式與表現(xiàn)。
能量的形式
能量是衡量物質(zhì)存在和運(yùn)動(dòng)變化的量度，是物理學(xué)中一個(gè)重要的基本概念。經(jīng)典力學(xué)對(duì)能量的定義是指物體做功能力的量度。利用能量從實(shí)質(zhì)上講就是利用自然界的某一自發(fā)變化的過(guò)程來(lái)推動(dòng)另一人為的過(guò)程。例如，水力發(fā)電就是利用水從高處流往低處的這一自發(fā)過(guò)程，使水的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，再推動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，水輪機(jī)又帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，通過(guò)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能供人類利用。顯然能量利用的優(yōu)劣，利用效率的高低與具體過(guò)程密切相關(guān)。而且利用能量的結(jié)果必然和能量系統(tǒng)的始末狀態(tài)相聯(lián)系，例如水力發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)消耗一部分水能來(lái)獲得電能，系統(tǒng)的始末狀態(tài)（如水位、流量等）都發(fā)生了變化。
對(duì)能量的分類方法沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，被人類廣泛接受的能量形式有如下六種，分別為機(jī)械能、熱能、化學(xué)能、電能、輻射能、核能。
歷史
能量是一個(gè)古老的概念，公元前四世紀(jì)，亞里士多德就在其著作中用古希臘語(yǔ)：?ν?ργεια一詞表示能量。1686年，戈特弗里德·威廉·萊布尼茨提出了拉丁語(yǔ)的概念：vis viva，即生命力，其定義為物體質(zhì)量與其速度平方的乘積；1695年，萊布尼茨以另一種特殊的形式給出了活力（vis viva）的概念，即力和路程的乘積。托馬斯·楊（Thomas Young）可能是第一個(gè)使用“能量”一詞來(lái)代替現(xiàn)代意義上的“vis viva”的人。1807年托馬斯·楊在《關(guān)于自然哲學(xué)和機(jī)械技術(shù)教程》一書中，用“能”（energy）這個(gè)詞來(lái)表示活力。楊根據(jù)熱與光的比較，得知物體的輻射熱與紅外線的熱效應(yīng)相一致，從而認(rèn)識(shí)到熱與光在本質(zhì)上是相同的（他認(rèn)為都是波動(dòng)）。
古斯塔夫-加斯帕德·科里奧利（Gustave-Gaspard Coriolis）于1829年描述了現(xiàn)代意義上的“動(dòng)能”。1849—1851年威廉·湯姆森（William Thomson）引入術(shù)語(yǔ)：動(dòng)能(kinetic energy)，1853年蘭金(Rankine)引入勢(shì)能(potential energy)，如今形式的機(jī)械能守恒定律得以表述。在功與能概念完善的基礎(chǔ)之上，經(jīng)過(guò)以邁爾（Julius Robert Mayer）、焦耳（James Prescott Joule）、赫爾曼·馮·亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz）等為代表的大量科學(xué)家對(duì)永動(dòng)機(jī)、熱功轉(zhuǎn)換乃至化學(xué)、生理等方面大量過(guò)程的研究，進(jìn)一步形成了更為廣泛的能量守恒定律，其應(yīng)用范圍比動(dòng)量守恒更廣。
相關(guān)概念
系統(tǒng)
在物理學(xué)中，系統(tǒng)是指研究的對(duì)象或關(guān)注的部分，它可以包括任何數(shù)量的物體，以及這些物體之間的相互作用。系統(tǒng)通常與外部環(huán)境通過(guò)系統(tǒng)邊界分隔開來(lái)。系統(tǒng)可以依邊界允許的質(zhì)量或能量交換方式來(lái)分類，簡(jiǎn)單分類可以分為以下三類：開放系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)和孤立系統(tǒng)。
可逆和不可逆
自然界的宏觀過(guò)程的方向性就是說(shuō)這些過(guò)程都是自發(fā)沿某一方向進(jìn)行，其反方向不能自發(fā)進(jìn)行，或反方向可以進(jìn)行但一定伴隨有其他過(guò)程。這種方向性可以用過(guò)程的不可逆性來(lái)描述。
不可逆過(guò)程是指：如果一個(gè)過(guò)程發(fā)生以后，無(wú)論通過(guò)何種途徑都不能使系統(tǒng)和外界回到原來(lái)狀態(tài)而沒(méi)有引起任何變化。
可逆過(guò)程是指：如果一個(gè)過(guò)程發(fā)生以后，可以反向進(jìn)行，同時(shí)使系統(tǒng)和外界回到原來(lái)狀態(tài)而沒(méi)有引起任何變化。
從不可逆過(guò)程的討論中可見(jiàn)，凡是伴隨有摩擦（功變熱）或存在有限大小的溫差（熱傳導(dǎo)）的過(guò)程都是不可逆過(guò)程。只有無(wú)摩擦的（不存在功變熱），而且系統(tǒng)經(jīng)歷的變化過(guò)程中的每一個(gè)狀態(tài)與熱源（外界）之間的溫差無(wú)限接近（不存在熱傳導(dǎo)），才是可逆過(guò)程。因此，只有無(wú)摩擦的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程才是可逆過(guò)程。
能源
能源是可以直接或經(jīng)轉(zhuǎn)換提供人類所需的光、熱、動(dòng)力等任一形式能量的載能體資源。確切而簡(jiǎn)單地說(shuō)，能源是自然界中能為人類提供某種形式能量的物質(zhì)資源。
能源亦稱能量資源或能源資源。是指可產(chǎn)生各種能量（如熱量、電能、光能和機(jī)械能等）或可作功的物質(zhì)的統(tǒng)稱。是指能夠直接取得或者通過(guò)加工、轉(zhuǎn)換而取得有用能的各種資源，包括煤炭、原油、天然氣、煤層氣、水能、核能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?/a>、生物質(zhì)能等一次能源和電力、熱力、成品油等二次能源，以及其他新能源和可再生能源。
相關(guān)定理
能量守恒定律
能量守恒定律指出：自然界一切物體都具有能量，能量有各種不同的形式，它能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，從一個(gè)物體傳遞給另一個(gè)物體，轉(zhuǎn)化和傳遞中能量的數(shù)量不變。系統(tǒng)的總能量由內(nèi)能、宏觀動(dòng)能和宏觀位能組成。從微觀上看，物體的內(nèi)能是指組成物體的一切微觀粒子的動(dòng)能和粒子間相互作用勢(shì)能的總和。具體來(lái)說(shuō)包括分子及原子的熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能，原子的振動(dòng)勢(shì)能，分子間相互作用勢(shì)能，分子，原子內(nèi)的能量，如原子核內(nèi)部的能量等。與原子結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)的內(nèi)能稱為“化學(xué)”內(nèi)能。所有的燃燒過(guò)程以及蓄電池的放電反應(yīng)都是由于化學(xué)反應(yīng)而引起內(nèi)能變化的例子。此外，當(dāng)有電磁場(chǎng)與系統(tǒng)相互作用時(shí)還包括相應(yīng)的電磁形式的能量。當(dāng)然，在一般的熱力學(xué)過(guò)程中，物體的化學(xué)能，核能都不會(huì)變化，因而不會(huì)表現(xiàn)出來(lái)。
質(zhì)能轉(zhuǎn)換
質(zhì)能轉(zhuǎn)換方程是狹義相對(duì)論的重要推論，由阿爾伯特·愛(ài)因斯坦提出。該方程是描述質(zhì)量與能量之間的當(dāng)量關(guān)系的方程。
其中，E表示能量，m表示質(zhì)量，c表示真空中的光速（常量，c=299792.458km/s）。1907年，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦寫下了關(guān)于狹義相對(duì)論和質(zhì)能關(guān)系的論文——《關(guān)于相對(duì)性原理所要求的能量慣性問(wèn)題》和《關(guān)于相對(duì)性原理由此得出的結(jié)論》，進(jìn)一步揭示了“同慣性有關(guān)的質(zhì)量m相當(dāng)于其量的”，“對(duì)于孤立的物理體系，質(zhì)量守恒定律只有在其能量保持不變的情況下是正確的”。在歷史上兩條相互獨(dú)立的自然規(guī)律——能量守恒和質(zhì)量守恒由相對(duì)論統(tǒng)一起來(lái)了。
能量均分定理
能量均分定理的表述為：在溫度為的平衡態(tài)，物質(zhì)分子的每個(gè)自由度都具有相同的平均動(dòng)能，其大小都等于。
能量均分定理能從經(jīng)典統(tǒng)計(jì)物理中得到嚴(yán)格的證明，是關(guān)于分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。對(duì)個(gè)別分子來(lái)說(shuō)，在任一時(shí)刻它的各自由度的動(dòng)能與按能量均分定理所確定的平均值可以有很大的差別，而且每一種形式動(dòng)能也不見(jiàn)得按自由度均分。但大數(shù)分子在平衡態(tài)時(shí)動(dòng)能按自由度均分，是統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果。
熱力學(xué)第一定律
熱力學(xué)第一定律是能量轉(zhuǎn)換與守恒定律在熱現(xiàn)象上的應(yīng)用，確定了熱能和其他能量之間轉(zhuǎn)換過(guò)程中的相互數(shù)量關(guān)系。
在工程熱力學(xué)中，熱力學(xué)第一定律可具體表達(dá)為：熱可以變?yōu)楣Γσ部梢宰優(yōu)闊幔瑑烧咧途S持守恒。一定數(shù)量的熱消失時(shí)，必定產(chǎn)生與之?dāng)?shù)量完全相等的功；反之，消耗一定數(shù)量的功，也必定出現(xiàn)數(shù)量相同的熱，即能量不可能憑空產(chǎn)生或消失。
熱力學(xué)第二定律
熱力學(xué)第二定律是反映自發(fā)過(guò)程具有方向性與不可逆性這一規(guī)律的定律，其實(shí)質(zhì)是指出了能量的品質(zhì)屬性。
熱力學(xué)第二定律有過(guò)多種表述方法，常見(jiàn)有以下幾種說(shuō)法：
魯?shù)婪颉た藙谛匏?/a>的說(shuō)法：不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化。
開爾文的說(shuō)法：不可能從單一熱源吸取熱量使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓?/p>
克勞修斯和開爾文說(shuō)法都指某一過(guò)程是“不可能”的，即指明某種自發(fā)過(guò)程的逆過(guò)程是不能自動(dòng)進(jìn)行的。克勞修斯的說(shuō)法是指明熱傳導(dǎo)的不可逆性，實(shí)質(zhì)是說(shuō)明能量傳遞的方向性，指出了熱量傳遞的必要條件；開爾文的說(shuō)法是指明摩擦生熱（功變熱）的過(guò)程的不可逆性，實(shí)質(zhì)是說(shuō)明能量轉(zhuǎn)換的方向性，指出了熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的條件，是能量守恒定律的補(bǔ)充，這兩種說(shuō)法對(duì)自發(fā)過(guò)程的認(rèn)識(shí)實(shí)際上是等效的。
焦耳定律
1841年，英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·焦耳發(fā)現(xiàn)載流導(dǎo)體中產(chǎn)生的熱量Q（稱為焦耳熱）與電流I的平方、導(dǎo)體的電阻R和通電時(shí)間t成比例。在純電阻電路中（如電阻、白熾燈、電爐、電熱毯等），電流所做的功（電功）全部轉(zhuǎn)化為焦耳熱Q。
其中Q指熱量，單位是焦耳（J），I指電流，單位是安培（A），R指電阻，單位是喬治·歐姆（），t指時(shí)間，單位是秒（s），以上單位全部用的是國(guó)際單位制中的單位。
能量轉(zhuǎn)換
能量以不同的形式或狀態(tài)儲(chǔ)存在各種物質(zhì)或物體中。能量可以從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式，轉(zhuǎn)換過(guò)程中能量的總和保持不變。要想得到一定的功，必須消耗一定其他形式的能量，不消耗能量而產(chǎn)生機(jī)械功的機(jī)器（第一類永動(dòng)機(jī)）是不可能制成的。但能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的實(shí)現(xiàn)是有條件、方向及限度（效率）約束的。例如：熱量總是自發(fā)地由高溫物體傳向低溫物體，而不能自發(fā)地從低溫物體向高溫物體傳遞；機(jī)械能（摩擦功）能夠自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽鵁崮軈s不能自發(fā)地、全部地轉(zhuǎn)變成機(jī)械能；從熱物體排出熱量的制冷過(guò)程必須消耗功；從高溫?zé)嵩传@得的熱量（如發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒釋放熱量等）轉(zhuǎn)變成機(jī)械能時(shí)，必須有一部分熱量被損失掉（如發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣帶走的熱量排向大氣，防凍液帶走的熱量等），熱利用率不可能是100%，但可以通過(guò)減少各種損失，盡可能提高熱利用率。
相關(guān)單位
能量的測(cè)量與計(jì)算
機(jī)械能?
機(jī)械能包括動(dòng)能與勢(shì)能，動(dòng)能的計(jì)算公式為，m表示物體的質(zhì)量，v表示物體的速度。勢(shì)能的測(cè)量見(jiàn)2.1節(jié)。
熱能
所有其他形式的能量都可以完全轉(zhuǎn)換為熱能，而且絕大多數(shù)的一次能源都是首先經(jīng)過(guò)熱能形式而被利用的。
若系統(tǒng)的的變化為，則熱能可表述成如下的形式：
化學(xué)能
物質(zhì)化學(xué)能的絕對(duì)值無(wú)法測(cè)量，而只能測(cè)量其改變值，故通常先假定一個(gè)化學(xué)能為零的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，然后測(cè)量被測(cè)元素和化合物相對(duì)這一標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的化學(xué)能增減值。
可根據(jù)能量守恒定律，通過(guò)計(jì)算化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中熱能增加或減少的值，計(jì)算出化學(xué)能。
電能
直流電能的測(cè)量可通過(guò)功率測(cè)量的讀數(shù)乘以時(shí)間而得，即
對(duì)于一般的直流電路的電能可用直流電能表（電度表）來(lái)測(cè)量。直流電能表屬于電動(dòng)式儀表。它有一組電壓電感線圈和一組電流線圈、分別接于被測(cè)電路之中。
交流有功電能可通過(guò)單相有功電能表（單相瓦時(shí)表）測(cè)量；交流無(wú)功電能可使用三相無(wú)功電能表測(cè)量。
輻射能
探測(cè)和測(cè)量輻射能的兩種主要光探測(cè)器是熱探測(cè)器和量子探測(cè)器。
在熱探測(cè)器中，輻射能被吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，探測(cè)器對(duì)吸收介質(zhì)的溫度變化做出反應(yīng)，熱探測(cè)器包括普通溫度計(jì)、熱電偶、輻射熱計(jì)和日射強(qiáng)度計(jì)。
量子探測(cè)器對(duì)入射光子的數(shù)量產(chǎn)生響應(yīng)，量子探測(cè)器包括照相膠片和各種光伏、光電導(dǎo)和光電發(fā)射探測(cè)器。
輻射能也可由下式計(jì)算：
式中：指物體的發(fā)射率
指黑體輻射系數(shù)
指物體的熱力學(xué)溫度（絕對(duì)溫度）
核能
原子核內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，目前還不能給出核力的完全描述。但在核裂變和核聚變反應(yīng)中都有所謂的“質(zhì)量虧損”，這種質(zhì)量和能量之間的轉(zhuǎn)換完全可以用描述。
因此可以測(cè)量核反應(yīng)前后系統(tǒng)的質(zhì)量差值，然后根據(jù)公式算出核反應(yīng)釋放的能量
應(yīng)用
化學(xué)
化學(xué)科學(xué)主要研究化學(xué)反應(yīng)中的能量變化或轉(zhuǎn)化，化學(xué)能以多種途徑與其他形式的能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并直接參與到整個(gè)自然界的能量循環(huán)之中，化學(xué)科學(xué)在能源的開發(fā)和利用方面發(fā)揮著重要作用；不管是宏觀物質(zhì)還是微觀粒子都具有能量，宏觀物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)中表現(xiàn)出來(lái)的能量變化是微粒作用力發(fā)生變化的集合體：化學(xué)鍵的強(qiáng)弱用能量來(lái)衡量，由于物質(zhì)微粒間作用方式的不同，化學(xué)鍵的劃分類型不同，故能量衡量的角度也就不同。化學(xué)中的能量觀可以涵蓋原子、分子、電子等微觀粒子的能量，化學(xué)鍵的鍵能，物質(zhì)的穩(wěn)定性，化學(xué)反應(yīng)的能量效應(yīng)、化學(xué)能與熱能、光能和電能的轉(zhuǎn)換，化石燃料。
生命科學(xué)
世界上的生物總是在不停地運(yùn)動(dòng)著。動(dòng)物在奔跑、飛翔、游泳。植物日復(fù)一日追逐著太陽(yáng)。即使是微生物，也在不停地運(yùn)動(dòng)。我們體內(nèi)的細(xì)胞的各個(gè)部分也在不停地運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)使我們的細(xì)胞可以生長(zhǎng)、分裂、改變形狀、甚至運(yùn)動(dòng)。除了運(yùn)動(dòng)之外，生物的觸覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)要求細(xì)胞能夠感知非常細(xì)微的機(jī)械力。運(yùn)動(dòng)和感知都需要能量。
計(jì)算機(jī)科學(xué)
在計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)中，能量被用于評(píng)估和優(yōu)化硬件和軟件系統(tǒng)的能源效率，以減少能源消耗。軟件能耗的概念是Tiwari等人于1994年在研究系統(tǒng)能耗時(shí)，發(fā)現(xiàn)僅從硬件結(jié)構(gòu)角度評(píng)估系統(tǒng)能耗，無(wú)法滿足系統(tǒng)級(jí)能耗評(píng)估需求時(shí)提出的。Tiwari等人認(rèn)為軟件能耗是指令在處理器上執(zhí)行過(guò)程中系統(tǒng)部件消耗的能量。
地球科學(xué)
能量在地球的動(dòng)力學(xué)過(guò)程中扮演著關(guān)鍵角色，包括大氣運(yùn)動(dòng)、地殼運(yùn)動(dòng)和海洋循環(huán)等。地球內(nèi)部的熱能和太陽(yáng)輻射會(huì)影響地球的板塊運(yùn)動(dòng)。
宇宙學(xué)
能量是客觀存在的，它是宇宙存在的最普遍形式與表現(xiàn)。換言之，宇宙完全是由能量形成的。能量的表現(xiàn)形式多樣，暗物質(zhì)、暗能量、電磁能量場(chǎng)、物理能、化學(xué)能、物質(zhì)等都是能量的表現(xiàn)。
參考資料 >
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現(xiàn)代自然科學(xué)重要概念連載二(質(zhì)能轉(zhuǎn)換方程E=mc2).中國(guó)教育發(fā)展戰(zhàn)略學(xué)會(huì)人才發(fā)展專業(yè)委員會(huì).2024-01-01