能量

能量

能量（energy）简称“能”，质量的时空分布可能变化程度的度量，用来表征物理系统做功的本领。现代物理学已明确了质量与能量之间的数量关系，即爱因斯坦的质能关系式：E=MC²。

能量的单位与功的单位相同，在国际单位制中是焦耳（J）。在营养学中除了用焦耳（J）作为能量单位以外，有时也用卡路里（cal）作为能量单位，1卡路里约等于4.184焦耳。在原子物理学、原子核物理学、粒子物理学等领域中也用电子伏特（eV）作为能量单位，1电子伏特=1.602,18×10－19焦。在理论物理领域，也有用尔格（erg）作为能量单位的，1尔格=10－7焦。

能量以多种不同的形式存在。按照物质的不同运动形式分类，能量可分为核能、机械能、化学能、内能（热能）、电能、辐射能、光能、生物能等。这些不同形式的能量之间可以通过物理效应或化学反应而相互转化。各种场也具有能量。

在营养学中，能量指的是食物中所含有的能被人体所吸收的化学能（生物质能），食物中的能量有时也可以称作热量，正常成年人每天消耗的能量约为8.4×106焦（8400千焦，NRV营养素参考值）。

物理定义

能量是物质运动转换的量度，世界万物是不断运动的，在物质的一切属性中，运动是最基本的属性，其他属性都是运动的具体表现。能量是表征物理系统做功的本领的量度。

对应于物质的各种运动形式，能量也有各种不同的形式，它们可以通过一定的方式互相转换。在机械运动中表现为物体或体系整体的机械能，如动能、势能等。在热现象中表现为系统的内能，它是系统内各分子无规则运动的动能、分子间相互作用的势能、原子和原子核内的能量的总和，但不包括系统整体运动的机械能。对于热运动的内能（旧称热能），人们是通过它与机械能的相互转换而认识的（见热力学第一定律）。

空间属性是物质运动的广延性体现；时间属性是物质运动的持续性体现；引力属性是物质在运动过程由于质量分布不均所引起的相互作用的体现；电磁属性是带电粒子在运动和变化过程中的外部表现，等等。物质的运动形式多种多样，每一个具体的物质运动形式存在相应的能量形式。

宏观物体的机械运动对应的能量形式是动能；分子运动对应的能量形式是内能（热能）；原子运动对应的能量形式是化学能；带电粒子的定向运动对应的能量形式是电能；光子（电磁场）运动对应的能量形式是光能（电磁波能），等等。除了这些，还有风能、潮汐能等。当运动形式相同时，物体的运动特性可以采用某些物理量或化学量来描述。物体的机械运动可以用速度、加速度、动量等物理量来描述；电流可以用电流强度、电压、功率等物理量来描述。但是，如果运动形式不相同，物质的运动特性唯一可以相互描述和比较的物理量就是能量，能量是一切运动着的物质的共同特性。

因此可以对能量作出定义：能量在古希腊语中意指“活动、操作”，是一个间接观察的物理量，被视为某一个物理系统对其他的物理系统做功的能力。功被定义为力在物体沿力的方向发生位移的空间积累效应，并且等于力与在力的方向上通过的位移的乘积。一个物体所含的总能量奠基于其总质量，能量同质量一样既不会凭空产生，也不会凭空消灭。能量和质量一样都是标量。在国际单位制（SI）中，能量的单位是焦耳，但有时使用其他单位如千瓦时和千卡，这些也是功的单位。能量是用以衡量所有物质运动规模的统一量度。

A系统可以借由简单的物质转移将能量传递到B系统中（因为物质的质量等价于能量）。如果能量不是借由物质转移而传递能量，而是由其他方式传递，会使B系统产生变化，因为A系统对B系统作功。功的效果如同一个力以一定的距离作用在接收能量的系统中。例如，A系统可以经过电磁辐射到B系统，使吸收辐射能量的B系统内部的粒子产生热运动。一个系统也可以通过碰撞传递能量，在这种情况下被碰撞的物体会在一段距离内受力并获得运动的能量，称为动能。内能（热能）的传递则可以由以上两个方法产生：热可以由辐射能转移能量，或者直接由系统间粒子的碰撞而转移动能。

能量可以不用表现为物质、动能或是电磁能的方式而储存在一个系统中。当粒子在与其有相互作用的一个场中移动一段距离（需借由一个外力来移动），此粒子移动到这个场的新的位置所需的能量便被储存了。当然粒子必须借由外力才能保持在新位置上，否则其所处在的场会借由推或者是拉的方式让粒子回到原来的状态。这种借由粒子在力场中改变位置而储存的能量就称为位能（势能）。一个简单的例子就是在重力场中往上提升一个物体到某一高度所需要做的功就是位能（势能）。

任何形式的能量可以转换成另一种形式。举例来说，当物体在力场中自由移动到不同的位置时，位能可以转化成动能。当能量是属于非内能（热能）的形式时，它转化成其他种类的能量的效率可以很高甚至是完美的转换，包括电力或者新的物质粒子的产生。然而如果是内能（热能）的话，则在转换成另一种形态时，就如同热力学第二定律所描述的，总会有转换效率的限制。在所有能量转换的过程中，总能量保持不变，原因在于总系统的能量是在各系统间做能量的转移，当从某个系统间损失能量，必定会有另一个系统得到这损失的能量，导致失去和获得达成平衡，所以总能量不改变。这个能量守恒定律，是在19世纪初提出，并应用于任何一个孤立系统。根据诺特定理，能量守恒是由于物理定律不会随时间而改变所得到的自然结果。虽然一个系统的总能量，不会随时间改变，但其能量的值，可能会因为参考系而有所不同。例如一个坐在飞机里的乘客，相对于飞机其动能为零；但是相对于地球来说，动能却不为零，也不能以单独动量去与地球相比较。

能量是物理学的基本概念之一，从经典力学到相对论、量子力学和宇宙学，能量总是一个核心概念。在一般常用语或科普读物中能量是指一个系统能够释放出来的、或者可以从中获得的、可以相当于做一定量的功。比如说1千克汽油含12千瓦小时能量，是指假如将1千克的汽油中的化学能全部施放出来的话可以做12KWh的功。

能量是物理学中描写一个系统或一个过程的物理量。一个系统的能量可以被定义为从一个零能量的状态转换为该系统现状的功的总和。一个系统有多少能量在物理中并不是一个确定的值，它随着对这个系统的描写而变换。人体在生命活动过程中，一切生命活动都需要能量，如物质代谢的合成反应、肌肉收缩、腺体分泌等等。而这些能量主要来源于食物。动、植物性食物中所含的营养素可分为五大类：碳水化合物、脂类、蛋白质、矿物质和维生素，加上水为六大类。其中，碳水化合物、脂肪和蛋白质经体内氧化可释放能量。三者统称为“产能营养素”或“热源物质”。

能量守恒定律表明能量不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一种形式转化为另一种形式，而能的总量保持不变。能量是标量，不是矢量，没有方向。至于正物质与反物质并不是说质量有正负，而是原子核的电性相反，相遇后质量转化为能量。任何运动都需要能量。能量的形式有许多种，例如机械能、内能（热能）、电能、光能（电磁波能）、声能（机械波能）、化学能、核能等。举一个例子，观察一个质量为1Kg的固体的能量：

在经典力学中，其能量就是从静止加速到现有速度所作的功的总和。

在经典热学中，其能量就是从绝对零度加热现有温度所作的功的总和。

在物理化学中，其能量就是合成这个固体时对原料加入的功的总和。

在原子物理中，其能量就是从原子能为零的状态对它做功达到现有状态的功的总和。

还可以用相反的方法来定义这个固体所含的能量。举两个例子：

该固体的内能是将它冷却到绝对零度所释放出来的功的总和。

该固体的原子能是将其结合能在原子核裂变或聚变反应中释放出来变成反应产物的动能。

能量虽然是一个常用和基本的物理概念，同时也是一个抽象的物理概念。事实上，物理学家一直到19世纪中才真正理解能量概念，在此之前常常与力、动量等概念混淆。