能量（英文名：Energy）是衡量物質存在和運動變化的量度，是物理學中一個重要的基本概念。經典力學對能量的定義是指物體做功能力的量度。它以各種形式存在，如動能（運動的能量）、勢能（儲存的能量）、熱能（熱量）、化學能（儲存在化學鍵中）、核能（來自原子反應）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（kW-h）、英國熱量單位（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：能量既不會憑空產生，也不會憑空消滅，它只會從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，而在轉化或轉移的過程中，總量保持不變。質能關系式表明：質量和能量具有相當性，具有一定質量的物體也必具有和這質量相當的能量，具有某種能量的物體也必具有和這能量相當的質量。
能量一詞源自古希臘語：?ν?ργεια，這可能首次出現在公元前4世紀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的概念：vis viva，1807年托馬斯·楊（Thomas Young）在《關于自然哲學和機械技術教程》一書中，首次用“能”（energy）這個詞來表示活力。
能源是人類賴以生存的基礎，也是人類從事生產和社會活動的基礎。能源的開發利用程度標志著人類社會進化和發展的程度。能量的學科應用方面，化學科學主要研究化學反應中的能量變化或轉化；生命科學主要研究能量對生物的影響；計算機科學中能量被用于評估和優化硬件和軟件系統的能源效率；地球科學中研究能量對地球的動力學過程的影響；宇宙學中闡述能量的普遍形式與表現。
能量的形式
能量是衡量物質存在和運動變化的量度，是物理學中一個重要的基本概念。經典力學對能量的定義是指物體做功能力的量度。利用能量從實質上講就是利用自然界的某一自發變化的過程來推動另一人為的過程。例如，水力發電就是利用水從高處流往低處的這一自發過程，使水的勢能轉換為動能，再推動水輪機轉動，水輪機又帶動發電機，通過發電機將機械能轉換為電能供人類利用。顯然能量利用的優劣，利用效率的高低與具體過程密切相關。而且利用能量的結果必然和能量系統的始末狀態相聯系，例如水力發電系統通過消耗一部分水能來獲得電能，系統的始末狀態（如水位、流量等）都發生了變化。
對能量的分類方法沒有統一的標準，被人類廣泛接受的能量形式有如下六種，分別為機械能、熱能、化學能、電能、輻射能、核能。
歷史
能量是一個古老的概念，公元前四世紀，亞里士多德就在其著作中用古希臘語：?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的概念：vis viva，即生命力，其定義為物體質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）可能是第一個使用“能量”一詞來代替現代意義上的“vis viva”的人。1807年托馬斯·楊在《關于自然哲學和機械技術教程》一書中，用“能”（energy）這個詞來表示活力。楊根據熱與光的比較，得知物體的輻射熱與紅外線的熱效應相一致，從而認識到熱與光在本質上是相同的（他認為都是波動）。
古斯塔夫-加斯帕德·科里奧利（Gustave-Gaspard Coriolis）于1829年描述了現代意義上的“動能”。1849—1851年威廉·湯姆森（William Thomson）引入術語：動能(kinetic energy)，1853年蘭金(Rankine)引入勢能(potential energy)，如今形式的機械能守恒定律得以表述。在功與能概念完善的基礎之上，經過以邁爾（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家對永動機、熱功轉換乃至化學、生理等方面大量過程的研究，進一步形成了更為廣泛的能量守恒定律，其應用范圍比動量守恒更廣。
相關概念
系統
在物理學中，系統是指研究的對象或關注的部分，它可以包括任何數量的物體，以及這些物體之間的相互作用。系統通常與外部環境通過系統邊界分隔開來。系統可以依邊界允許的質量或能量交換方式來分類，簡單分類可以分為以下三類：開放系統、封閉系統和孤立系統。
可逆和不可逆
自然界的宏觀過程的方向性就是說這些過程都是自發沿某一方向進行，其反方向不能自發進行，或反方向可以進行但一定伴隨有其他過程。這種方向性可以用過程的不可逆性來描述。
不可逆過程是指：如果一個過程發生以后，無論通過何種途徑都不能使系統和外界回到原來狀態而沒有引起任何變化。
可逆過程是指：如果一個過程發生以后，可以反向進行，同時使系統和外界回到原來狀態而沒有引起任何變化。
從不可逆過程的討論中可見，凡是伴隨有摩擦（功變熱）或存在有限大小的溫差（熱傳導）的過程都是不可逆過程。只有無摩擦的（不存在功變熱），而且系統經歷的變化過程中的每一個狀態與熱源（外界）之間的溫差無限接近（不存在熱傳導），才是可逆過程。因此，只有無摩擦的準靜態過程才是可逆過程。
能源
能源是可以直接或經轉換提供人類所需的光、熱、動力等任一形式能量的載能體資源。確切而簡單地說，能源是自然界中能為人類提供某種形式能量的物質資源。
能源亦稱能量資源或能源資源。是指可產生各種能量（如熱量、電能、光能和機械能等）或可作功的物質的統稱。是指能夠直接取得或者通過加工、轉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、風能、太陽能、地熱能、生物質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，它能從一種形式轉化為另一種形式，從一個物體傳遞給另一個物體，轉化和傳遞中能量的數量不變。系統的總能量由內能、宏觀動能和宏觀位能組成。從微觀上看，物體的內能是指組成物體的一切微觀粒子的動能和粒子間相互作用勢能的總和。具體來說包括分子及原子的熱運動動能，原子的振動勢能，分子間相互作用勢能，分子，原子內的能量，如原子核內部的能量等。與原子結構的變化有關的內能稱為“化學”內能。所有的燃燒過程以及蓄電池的放電反應都是由于化學反應而引起內能變化的例子。此外，當有電磁場與系統相互作用時還包括相應的電磁形式的能量。當然，在一般的熱力學過程中，物體的化學能，核能都不會變化，因而不會表現出來。
質能轉換
質能轉換方程是狹義相對論的重要推論，由阿爾伯特·愛因斯坦提出。該方程是描述質量與能量之間的當量關系的方程。
其中，E表示能量，m表示質量，c表示真空中的光速（常量，c=299792.458km/s）。1907年，阿爾伯特·愛因斯坦寫下了關于狹義相對論和質能關系的論文——《關于相對性原理所要求的能量慣性問題》和《關于相對性原理由此得出的結論》，進一步揭示了“同慣性有關的質量m相當于其量的”，“對于孤立的物理體系，質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立的自然規律——能量守恒和質量守恒由相對論統一起來了。
能量均分定理
能量均分定理的表述為：在溫度為的平衡態，物質分子的每個自由度都具有相同的平均動能，其大小都等于。
能量均分定理能從經典統計物理中得到嚴格的證明，是關于分子熱運動動能的統計規律。對個別分子來說，在任一時刻它的各自由度的動能與按能量均分定理所確定的平均值可以有很大的差別，而且每一種形式動能也不見得按自由度均分。但大數分子在平衡態時動能按自由度均分，是統計平均結果。
熱力學第一定律
熱力學第一定律是能量轉換與守恒定律在熱現象上的應用，確定了熱能和其他能量之間轉換過程中的相互數量關系。
在工程熱力學中，熱力學第一定律可具體表達為：熱可以變為功，功也可以變為熱，兩者之和維持守恒。一定數量的熱消失時，必定產生與之數量完全相等的功；反之，消耗一定數量的功，也必定出現數量相同的熱，即能量不可能憑空產生或消失。
熱力學第二定律
熱力學第二定律是反映自發過程具有方向性與不可逆性這一規律的定律，其實質是指出了能量的品質屬性。
熱力學第二定律有過多種表述方法，常見有以下幾種說法：
魯道夫·克勞修斯的說法：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。
開爾文的說法：不可能從單一熱源吸取熱量使之完全變為功而不引起其他變化。
克勞修斯和開爾文說法都指某一過程是“不可能”的，即指明某種自發過程的逆過程是不能自動進行的。克勞修斯的說法是指明熱傳導的不可逆性，實質是說明能量傳遞的方向性，指出了熱量傳遞的必要條件；開爾文的說法是指明摩擦生熱（功變熱）的過程的不可逆性，實質是說明能量轉換的方向性，指出了熱能轉換為機械能的條件，是能量守恒定律的補充，這兩種說法對自發過程的認識實際上是等效的。
焦耳定律
1841年，英國物理學家詹姆斯·焦耳發現載流導體中產生的熱量Q（稱為焦耳熱）與電流I的平方、導體的電阻R和通電時間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指時間，單位是秒（s），以上單位全部用的是國際單位制中的單位。
能量轉換
能量以不同的形式或狀態儲存在各種物質或物體中。能量可以從一種形式轉換成另一種形式，轉換過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，不消耗能量而產生機械功的機器（第一類永動機）是不可能制成的。但能量轉換過程的實現是有條件、方向及限度（效率）約束的。例如：熱量總是自發地由高溫物體傳向低溫物體，而不能自發地從低溫物體向高溫物體傳遞；機械能（摩擦功）能夠自發地轉變為熱能，而熱能卻不能自發地、全部地轉變成機械能；從熱物體排出熱量的制冷過程必須消耗功；從高溫熱源獲得的熱量（如發動機燃料燃燒釋放熱量等）轉變成機械能時，必須有一部分熱量被損失掉（如發動機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%，但可以通過減少各種損失，盡可能提高熱利用率。
相關單位
能量的測量與計算
機械能?
機械能包括動能與勢能，動能的計算公式為，m表示物體的質量，v表示物體的速度。勢能的測量見2.1節。
熱能
所有其他形式的能量都可以完全轉換為熱能，而且絕大多數的一次能源都是首先經過熱能形式而被利用的。
若系統的的變化為，則熱能可表述成如下的形式：
化學能
物質化學能的絕對值無法測量，而只能測量其改變值，故通常先假定一個化學能為零的標準點，然后測量被測元素和化合物相對這一標準點的化學能增減值。
可根據能量守恒定律，通過計算化學反應過程中熱能增加或減少的值，計算出化學能。
電能
直流電能的測量可通過功率測量的讀數乘以時間而得，即
對于一般的直流電路的電能可用直流電能表（電度表）來測量。直流電能表屬于電動式儀表。它有一組電壓電感線圈和一組電流線圈、分別接于被測電路之中。
交流有功電能可通過單相有功電能表（單相瓦時表）測量；交流無功電能可使用三相無功電能表測量。
輻射能
探測和測量輻射能的兩種主要光探測器是熱探測器和量子探測器。
在熱探測器中，輻射能被吸收并轉化為熱能，探測器對吸收介質的溫度變化做出反應，熱探測器包括普通溫度計、熱電偶、輻射熱計和日射強度計。
量子探測器對入射光子的數量產生響應，量子探測器包括照相膠片和各種光伏、光電導和光電發射探測器。
輻射能也可由下式計算：
式中：指物體的發射率
指黑體輻射系數
指物體的熱力學溫度（絕對溫度）
核能
原子核內部的運動非常復雜，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中都有所謂的“質量虧損”，這種質量和能量之間的轉換完全可以用描述。
因此可以測量核反應前后系統的質量差值，然后根據公式算出核反應釋放的能量
應用
化學
化學科學主要研究化學反應中的能量變化或轉化，化學能以多種途徑與其他形式的能進行轉化，并直接參與到整個自然界的能量循環之中，化學科學在能源的開發和利用方面發揮著重要作用；不管是宏觀物質還是微觀粒子都具有能量，宏觀物質化學反應中表現出來的能量變化是微粒作用力發生變化的集合體：化學鍵的強弱用能量來衡量，由于物質微粒間作用方式的不同，化學鍵的劃分類型不同，故能量衡量的角度也就不同。化學中的能量觀可以涵蓋原子、分子、電子等微觀粒子的能量，化學鍵的鍵能，物質的穩定性，化學反應的能量效應、化學能與熱能、光能和電能的轉換，化石燃料。
生命科學
世界上的生物總是在不停地運動著。動物在奔跑、飛翔、游泳。植物日復一日追逐著太陽。即使是微生物，也在不停地運動。我們體內的細胞的各個部分也在不停地運動，這些運動使我們的細胞可以生長、分裂、改變形狀、甚至運動。除了運動之外，生物的觸覺和聽覺要求細胞能夠感知非常細微的機械力。運動和感知都需要能量。
計算機科學
在計算機和信息技術中，能量被用于評估和優化硬件和軟件系統的能源效率，以減少能源消耗。軟件能耗的概念是Tiwari等人于1994年在研究系統能耗時，發現僅從硬件結構角度評估系統能耗，無法滿足系統級能耗評估需求時提出的。Tiwari等人認為軟件能耗是指令在處理器上執行過程中系統部件消耗的能量。
地球科學
能量在地球的動力學過程中扮演著關鍵角色，包括大氣運動、地殼運動和海洋循環等。地球內部的熱能和太陽輻射會影響地球的板塊運動。
宇宙學
能量是客觀存在的，它是宇宙存在的最普遍形式與表現。換言之，宇宙完全是由能量形成的。能量的表現形式多樣，暗物質、暗能量、電磁能量場、物理能、化學能、物質等都是能量的表現。
參考資料 >
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A course of lectures on natural philosophy and the mechanical arts. By Thomas Young..Semantic.2024-03-26
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現代自然科學重要概念連載二(質能轉換方程E=mc2).中國教育發展戰略學會人才發展專業委員會.2024-01-01