能量

物体提高温度，本身是增加热能。

热量（heat）热是能量的一种形式，一部分属于势能（位能），一部分属于动能。在物理科学的文章中，有数种形式的能量被定义。这些包括：

• 热能（thermal energy），在传导过程中的热能被称为热量（heat）
• 化学能（chemical energy）
• 电能（electrical energy）
• 辐射能（radiant energy），电磁辐射的能量
• 核能（nuclear binding energy）
• 弹性能（resilience）
• 声能（sound energy）
• 机械能（mechanical energy）
• 光能（light energy）
• 势能/位能（potential energy）
• 动能（kinetic energy）
• 生质能（bioenergy）

这些能量的形式可以概分为两大类：动能和位能。其他类似的能量形式都是动能和位能的混合。

能量可能在这几种形式间转换，有些能量的转换效率可达100％，有些则不行。能把这些不同的能量互相转换的机器称为能量变换器（transducer）。

以上几种已知的能量形式不一定涵盖所有自然界的能量。只要科学家发现某些违反能量守恒的现象，新的能量形式亦会随之提出。如暗能量（dark energy）——遍布全宇宙并加快宇宙扩张速度的假设能量。

在古典力学中，位能和动能之间是有所区别的，位能为一物体所在位置的函数，而动能则与物体的位移速度有关。位置与位移都有其特定的参考坐标：这通常为地球表面上（即陆地上）的任意一点。科学家试图用古典力学将所有的能量形式分类为动能和位能两种。但这是错误的，也不是最简化的分类。

理乍得·费曼指出：这些动能和位能的概念都取决于尺度的大小。例如，宏观尺度的动能和位能可以说是不包括热能的。化学位能也是个宏观概念，更仔细的检验显示其为原子和亚原子的动能和位能的总和。相同的情况也适用于核位能和其他形式的能量。当我们考虑的问题只涉及一种尺度，那么这个尺度的相依性并不会造成困扰；但是当问题涉及了不同尺度时，例如摩擦使巨观的功转换成微观的热能，在这样的情形下就容易发生混淆。

能量的英文「energy」一字源于希腊语：（），该字可能首次出现在公元前四世纪亚里士多德的作品中。

能量的概念出自于戈特弗里德·莱布尼茨的生活力（拉丁语：）想法，而它的定义是一个物体质量和其速度的平方。他相信总是守衡的。为了解释因摩擦而令速度减缓的现象，莱布尼兹的理论认为热能是由物体内的组成物质随机运动所构成，而这种想法和艾萨克·牛顿一致，虽然这种观念经过一个世纪才被普遍接受。在1807年，托马斯·杨可能是第一个使用能量这个字来取代的人。贾斯帕-古斯塔夫·科里奥利在1829年提出了「动能」；而在1853年，William Rankine提出了位能这个词。对于能量是一种物质，还是像动量般只是一个物理量，这个问题争论了几年。

威廉·汤姆森，第一代开尔文男爵将以上这些定律合并到了热力学的定律中，并促成了鲁道夫·克劳修斯、约西亚·吉布斯和瓦尔特·能斯特三人在化学反应解释上的快速发展。另外也导出了克劳修斯所提出的熵的数学公式，以及由Joef Stefan提出的辐射能的定律。

1961年，理乍得·费曼在加州理工学院一个以大学生为对象的课程中，以如下的方式描述了能量的概念：

有一个事实，那就是有一个到目前为止掌控了我们所知道的自然现象的定律，而这个定律在我们所知范围内没有任何的例外，而且据我们目前所知，它是准确的。这个定律被称为能量守恒。它说明了有一个特定的物理量，我们称之为「能量」。这量在自然状态经历了各种变化后，并不会改变。这是一个最抽象的概念，因为它是一个数学的原理：它说明了有一个数值量在一些事件发生时不会改变。它并不是任何物理过程或者具体事物的描述；它仅仅是一个奇怪的事实：我们可以先对系统计算一些数值，而当系统经历了一些变化之后，我们同样的再去计算那些数值，结果会发现数值和一开始的时候是相同的。

——费曼物理学讲义

自1918年开始，人们知道能量守恒是能量的共轭量、时间的平移对称所得到的数学上的自然结果。也就是说，能量之所以守恒是因为物理定律无法区别不同的时间瞬间所造成（见诺特定理）。

在整个科学的历史里，能量曾以许多不同的单位表示，例如ergs和calories。而今，测量能量的国际标准认证单位是焦耳。除了焦耳，其他的能量单位有千瓦时（kWh）和英国热量单位（Btu）。这两个都是用来表达较大的能量单位。一千瓦时等同于三百六十万焦耳，而一英国热量单位等同于 1055 焦耳。

能量的概念以及其转移，对于解释和预测大部分的自然现象是有用的。能量的转移方向通常由熵来描述。而由于热力学定律的限制，使得能量不可能在宏观的尺度上由低处往高处流，所以在统计上，能量或是物质不会自发的移动成为较高密度的形式，或者集中到较小的空间。

能量的概念广泛的存在于各学科之中：

不同形式的能量间通常能通过工具的辅助而彼此转换，例如电池能把化学能转换成电能；水坝能把重力位能转换成动能并最终通过发电机转换成电能。相同的，在氧化反应的例子里，化学能转换成动能和热能（有时包括光能和声能）。钟摆也是一例。钟摆在最高点的动能为零而重力位能为最大值，但是在最低点的动能为最大值而重力位能为最小。假设钟摆机件间没有任何摩擦力，则能量之间的转换是完美的，所以钟摆将永远保持摆荡。

能量必须遵守能量守恒定律。根据这个定律，能量只能从一种形式变为另一种形式而无法凭空产生或者是消灭。能量守恒是时间的平移对称性得出的数学结论（参阅诺特定理）

根据能量守恒定律，流入的能量等于流出的能量加上内能变化。

此定律是物理界中相当基本的准则。依照时间的平移对称性，宇宙中绝大部分现象都可以独立于时间变化之外，因此想将昨天、今天和明天发生的现象区分开来，事实上是不可能的。

这是因为能量是时间的正则共轭（canonical conjugate）量，数学上它们便存在了不确定性：要在有限的时间间隔里定义精确的能量值是不可能的。但这种不确定性不应该和能量守恒搞混。更准确来说，它提供了原则上可以被定义和测量的能量的数学极限值。

在量子力学中能量会以Hamiltonian算符来表示。在任何时间范围里，能量中的不确定性会以

${\displaystyle \Delta E\Delta t\geq {\frac {\hbar }{2}}}$

来计算。这跟海森堡的测不准原理非常类似，但并非真正数学上的相同，因为H 和t不论在古典或量子力学中皆不是共轭之变量.。

能量必须遵守「守恒定律」，也就是说不论测量或计算一个粒子系统的能量，其粒子间的行为和时间无关，它的系统总能量永远保持一定。

• 一个系统的总能量可以被细分成不同类型，并以不同方法来归类。比方说，有时候把位能从动能区中区分开来会比较方便。也有时创建重力位能、电能、热能和其他形式的能量是相对方便的。这些分类定义可能会重叠，像是热能就可以由部分动能和部分位能所组成。
• 能量的转换也有很多形式，常见的例子如：功、热流和移流（advection），这部分会在下一个小节讨论。

在古典物理中，能量被认为是一种纯量，它和时间的导数有关。在狭义相对论中，能量亦是纯量（虽然它不是劳伦兹纯量（Lorentz scalar），但时间却是四维动量中的组成份子之一）。换句话说，能量在空间的循环下是固定不变，但在不保证在时间和空间的循环下，依然是不变。

因为能量必须守恒，且只要能被定义，连局部的能量也将守恒。因为能量在系统与相邻区域中的能量传输就是功。常见的例子就是机械功，仅考虑简单的情境，可以将方程序写成：

${\displaystyle \Delta {}E=W}$

(1)

当没有其它能量变化时，${\displaystyle E}$代表所有传输的能量总合，${\displaystyle W}$则代表系统内所作的功。

更普遍而言，能量传输可分为两类：

${\displaystyle \Delta {}E=W+Q}$

(2)

其中${\displaystyle Q}$代表系统增加的热能。

一个开放系统要得到或损失能量有许多方式，比如在一个化学系统中，可加入各种含有化学能的物质以增加能量；上紧时钟的发条可以增加机械能，这些能都可以被增加到上述的方程序，它们都可被归类在“能量增加项（${\displaystyle E}$）”（"energy addition term ${\displaystyle E}$"）中，${\displaystyle E}$表示穿过部分或系统的表面积的任何形式的能量。除了上述这些，还有许多例子，比方说增加粒子流的动能到系统中或是加入雷射光的能量到系统中，在此不讨论加入的能量是作功还是热能的形式。故可将方程序改写成：

${\displaystyle \Delta {}E=W+Q+E}$

(3)

其中E代表其他外加能量，不包含系统所做的功或是外加的热。

能量亦可从位能（${\displaystyle E_{p}}$）转成动能（${\displaystyle E_{k}}$）再换回位能。这是因为力学能守恒。在这类型的封闭系统里，能量不会增加或减少，因此初始的总能量和最终的总能量必定相同。它可被表示成：

${\displaystyle E_{pi}+E_{ki}=E_{pF}+E_{kF}}$

(4)

由于${\displaystyle E_{p}=mgh}$（质量乘以重力加速度乘以高度）和${\displaystyle E_{k}={\frac {1}{2}}mv^{2}}$（质量的一半乘以速率平方），能量总值可通过将二者加起来${\displaystyle E_{p}+E_{k}=E_{total}}$求得。

古典力学中，因为能量是一守恒量，不论在概念或数学形式上它都是非常有用的特性。有些公式更是以能量为内核观念而改进。

热量表的示意图——科学家们用来测量能量的仪器。

由于能量被定义为物体做功的能力，因此没有仪器能够测量能量的确切值。能量只能够在一系统的状态转变时被测量出来，因此能量是在一相对情况下才能被测量的。量测的起始点一般而言是可以任意选定的，如此一来可以更方便的简化量测问题。

• 功
• 内能
• 熵
• 焓
• 力
• 动量

• （英文）Conservation of Energy （页面存档备份，存于）
• （英文）能量与生活 （页面存档备份，存于）
• （英文）What does energy really mean? 物理世界 （页面存档备份，存于）