能量
物理学名词
能量是物理学中的一个基本守恒量。根据诺特定理，能量守恒对应时间平移不变性。能量的量纲是ML2T-2，国际单位制中的单位是焦耳（J）。
研究历史
17世纪后期，戈特弗里德·莱布尼茨（GottfriedLeibniz）提出了拉丁语的概念：vis viva，直译为生命力。他将这个量定义为物体质量与其速度平方的乘积，认为这个量是守恒的。为了解释摩擦引起的减速，莱布尼茨认为热能是物质组成部分的运动。18世纪初，艾米丽·杜·夏特莱（Émilie du Châtelet）在翻译牛顿的《自然哲学的数学原理》的法语译本的旁注中提到了能量守恒的概念。1807年的皇家学会演说中，托马斯·杨（Thomas Young）第一次使用了现代意义上的“能量”的概念。
1829年，古斯塔夫-加斯帕·科里奥利（Gustave-GaspardCoriolis）描述了现代意义上的“动能”。1853年，威廉·兰金（William Rankine）创造了“势能”一词。19世纪初，能量守恒定律初次被提出。此时，人们一直在争论热量是一种物质还是运动。1845年，詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule）发现了机械功与热量之间的联系。
威廉·汤姆孙（William Thomson）总结了这些发现，提出了能量守恒定律理论，正式将能量守恒定律用于热力学领域。后来，鲁道夫·克劳修斯（Rudolf Clausius）、乔赛亚·威拉德·吉布斯（Josiah WillardGibbs）和瓦尔特·能斯特（Walther Nernst）等人使用能量的概念发展了对化学过程的解释。对热力学中能量的研究促成了克劳修斯对熵的概念的数学表述。
1881年，威廉·汤姆孙在听众面前表示：
能量这个名字的现在的意义，虽然在本世纪初由托马斯·杨博士首次使用，但实际上是在定义它的学说之后才开始使用的……从单纯的数学动力学公式上升到现在的地位，即一个贯穿所有自然界并指导科学领域研究者的原则。
1918年，诺特提出了每一个连续的对称性都有其对应的守恒定律。其中时间平移对称性对应能量守恒定律，空间平移对称性对应动量守恒定律，空间旋转对称性对应角动量守恒定律。
分类
按能量的存在形式
- **机械能**：是物体动能和势能的总和。其中，动能是物体由于运动而具有的能量，比如行驶的汽车、奔跑的动物等都具有动能；势能则是物体由于位置或状态而具有的能量，包括重力势能和弹性势能等，像被举高的重物具有重力势能，被拉伸的弹簧具有弹性势能。
- **内能**：是物体内部分子热运动的动能和分子势能的总和。一切物体都具有内能，比如加热中的热水壶，壶内的水分子热运动加快，内能增加。
- **电能**：是电荷定向移动所具有的能量，生活中常见的如各种电器设备运行时所消耗的就是电能，如电灯发光、电视机播放节目等都依赖电能。
- **化学能**：是指一些需要经由化学反应释放出来的能量，物质在发生化学反应过程中储存或释放的能量属于化学能，像燃料燃烧、电池放电等过程都涉及化学能的转化，汽油燃烧为汽车提供动力就是化学能转化为其他形式的能量。
- **核能**：是通过核反应从原子核释放的能量，如原子弹爆炸、核电站发电等都是利用核能，它是由原子核内部结构发生变化而释放出的巨大能量。
- **光能**：是光子运动对应的能量形式，比如太阳发出的光、灯光等都具有光能，植物的光合作用就是利用光能将二氧化碳和水转化为有机物和氧气。
- **声能**：是物体振动产生声音所具有的能量，像击鼓时，鼓面振动产生声能，声能可以在介质中传播。
按能量的来源
- **太阳能**：来自太阳的辐射能量，是地球上许多能量的根本来源，除了直接的光能外，还包括风能、水能、生物质能等间接来自太阳能的能量形式。例如，太阳照射使地球表面受热不均，引起空气流动形成风能。
- **地热能**：是来自地球内部的热能，主要是地球内部放射性元素衰变产生的热量，像温泉、火山喷发等都是地热能的表现形式，可用于地热发电、温泉洗浴等。
- **潮汐能**：是由于地球、月球和太阳之间的引力作用，导致海洋表面周期性涨落而产生的能量，在一些沿海地区，人们利用潮汐能进行发电。
按能量是否可再生
- **可再生能源**：是指在自然界中可以不断再生、永续利用的能源。例如太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、潮汐能等，这些能源在自然界中可以循环再生，取之不尽、用之不竭。
- **不可再生能源**：是指在自然界中经过亿万年形成，短期内无法恢复且随着大规模开发利用，储量越来越少总有枯竭一天的能源，如煤炭、石油、天然气、核能等。
按能量的转换形态
- **一次能源**：是指自然界中以原有形式存在的、未经加工转换的能量资源，又称天然能源，如原煤、原油、天然气、水能、风能、太阳能、地热能、海洋能、生物质能等。
- **二次能源**：是指由一次能源经过加工转换以后得到的能源产品，例如电力、蒸汽、煤气、汽油、柴油、重油、液化石油气、酒精、沼气、氢气和焦炭等。
理论
功
在力学中，功的定义是力与距离的路径积分，数学表达式是
其中表示积分路径。一个物体对另一个物体施加作用力，并且做正功会将自身的能量传递给被做功的物体。
能量守恒定律
能量守恒定律指出，孤立系统的总能量不变。在封闭系统中，能量只能从一个物体传递到另一个物体，或者从一种形式转化为另一种形式。
热力学第一定律
对于封闭的热力学系统，热力学第一定律可以表示为
其中是热传递导致的系统能量的该变量，是系统内能的变化，是系统对外界做的功。其中热量可以写成
是系统的温度，是熵的变化，温度和熵都是系统的状态变量。系统对外界做功的表达式是
考虑化学反应，设某种物质的化学势是，化学反应过程中粒子数的变化是，热力学第一定律是
这是热力学基本关系。
诺特定理
由于时间平移不变性，拉格朗日量不显含时间，拉格朗日量对时间的全导数是
其中是广义坐标。根据欧拉-拉格朗日方程
可以得到
也就是说是一个不变量。这个量被定义为系统的能量。
牛顿力学
动量是物体因为运动而具有的能量。在牛顿力学中，质量为的质点以速度运动，具有的动能是
刚体
刚体可以定义为直线距离保持不变的理想系统，在自然界中很多形变很小的固体可以近似地当做刚体处理。刚体是有六个自由度的系统：三个平动和三个转动。下面将刚体考虑成离散质点的集合，质心的速度是。对于刚体，所有质点的角速度都是相等的。假设角速度是，那么动能是
其中第一项是质点系整体的运动。如果我们将坐标原点选取在质心，那么
转动对应的动能就是式的最后一项。因为，所以我们可以将转动的那部分动能表示成
引入转动惯量张量
那么转动的那部分动能可以表示成
根据定义，角动量是。转动惯量张量是对称的，即。我们可以将转动惯量写成连续的形式
可以通过选择合适的坐标轴将转动惯量约化成对角形式，相当于对二阶张量做特征值分解。这些坐标轴叫做惯量主轴，很多时候惯量主轴可以通过对称性确定。此时角动量是
相对论
在狭义相对论中，一个静止质量为的物体静止时具有静能
当这个质点在某个参考系中以速度运动时，其能量为
相应地，其动能是
电磁场
考虑一个在电磁场中运动的粒子，我们可以计算电磁场对带电粒子的力做的功：
一般地，我们可以考虑电流分布。设电荷密度是，电流密度矢量是，那么在体积中，。根据麦克斯韦方程组，可以得到
根据矢量分析中的公式和麦克斯韦方程组，应用散度定理进一步计算得到
考虑上式的物理意义，我们可以看到中两项分别描述电场和磁场的能流密度。单位时间内电磁场通过单位表面积向外传递的能量被称为坡印廷矢量，表达式是
从中我们可以看到，电磁辐射的功率是
热力学
在热力学中，适当选择独立变量，只需要一个热力学函数就可以确定均匀系统的全部平衡性质。这个函数被称为热力学势，有的书中称之为特性函数。
上述五个热力学势分别是
1. 内能：
2. 焓：
3. 自由能：
4. 吉布斯自由能：
5. 巨势：
上述五个热力学基本微分方程可以用勒让德变换互相推导。根据第一个热力学基本微分方程，我们可以得到
同理，我们也可以从剩下四个热力学基本微分方程中用类似的方法得到物理量的表达式。
巨正则系综描述的是粒子数可变，系统与热库有能量交换的系统。巨正则系综中，微观态出现的概率是
其中，是化学势，是对应能级中的粒子数，巨配分函数是
根据巨配分函数的表达式，我们注意到
外界做功会改变体系的能量。当外界参数改变时，施加于填充数为的能级的粒子上的力是。因此广义力是
这个广义力可以是压强，此时。于是，热力学关系可以写成
将上式两边乘，利用的全微分表达式
根据熵的表达式，可以得到
能量与营养学
定义
人体能量
人体每天所需能量计算方式。成年人的能量消耗主要用于维持基础代谢、体力活动和食物特殊动力作用三方面能量消耗需要的总和。对于孕妇应包括子宫、乳房、胎盘、胎儿等的生长发育及母体体脂的储备，乳母则需要合成和分泌乳汁，婴幼儿、儿童、青少年则包括生长发育的能量需要，故能量处于平衡状态。
成年男性：每日能量需要量（KJ）=体重（KG）×192
成年女性：每日能量需要量（KJ）=体重（KG）×167
例如70Kg体重轻体力劳动男性，每日能量需要量为：70×192×0.9=12096KJ，折算千卡（Kc）为 2880Kc。
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