分类:能量

技术词条：能量

英文名称	Energy
核心定义	描述物体做功能力的物理量，是物质运动与相互作用的统一度量
物理基础	诺特定理、能量守恒定律、时空对称性
关键指标	能量标量 ${\displaystyle E}$、功 ${\displaystyle W}$、功率 ${\displaystyle P}$
根本目标	揭示自然界各种运动形式之间的内在联系与转化规律

能量（符号 ${\displaystyle E}$）是物理学中描述一个系统或一个物体做功本领的物理量。在经典物理学中，能量与物体的运动、位置以及内部状态密切相关。

根据著名的诺特定理（Noether's Theorem），物理定律在时间平移上的对称性直接对应着能量守恒定律。这意味着在一个孤立系统中，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而能量的总量保持不变。

能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。其数学表述为：在一个孤立系统中，总能量的变化量为零。

${\displaystyle \Delta E_{total}=0}$

或者在能量转化与转移的过程中：

${\displaystyle E_{initial}=E_{final}}$

在力学中，功是能量转化的量度。力对物体做功的过程，本质上就是能量从一种形式转化为另一种形式的过程。

${\displaystyle W=\Delta E}$

• 适用条件：适用于一切能量形式的转化过程。
• 单位：在国际单位制中，能量的单位为焦耳（${\displaystyle \text{J}}$），1 焦耳等于 1 牛顿的力使物体在力的方向上移动 1 米所做的功。

根据能量的存在形式与本质，物理学中通常将其分为以下几类：

能量形式	核心定义	典型实例与公式
机械能	物体由于机械运动或相对位置而具有的能量，是动能与势能的总和。	动能：${\displaystyle E_k=\frac{1}{2}m{v}^2}$（行驶的汽车） 重力势能：${\displaystyle E_p=mgh}$（高处的重物） 弹性势能：被压缩或拉伸的弹簧
内能	物体内部分子热运动的动能与分子间势能的总和。	热水壶中水分子的热运动；摩擦生热导致物体内能增加。
电能	电荷定向移动或电场分布所具有的能量。	家庭电路中的电流做功；电容器储存的电场能。
化学能	物质在发生化学反应时释放或吸收的能量，储存在化学键中。	煤炭、石油等化石燃料的燃烧；干电池放电。
核能	原子核结构发生变化（裂变或聚变）时释放出的巨大能量。	核电站发电（核裂变）；太阳内部的能量来源（核聚变）。
光能（辐射能）	光子运动对应的能量形式，属于电磁辐射能。	太阳光照射；植物进行光合作用。
声能	物体振动产生声波，通过介质传播所具有的能量。	击鼓时鼓面的振动；超声波清洗。

在工程与社会应用中，能够提供能量的物质资源被称为能源。根据不同的划分维度，能源有着严格的科学分类：

• 一次能源：指自然界中以原有形式存在、未经加工转换的能量资源。例如：原煤、原油、天然气、水能、风能、太阳能、地热能、核能等。
• 二次能源：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、氢能等。

• 可再生能源：指在自然界中可以不断再生、永续利用的能源，具有取之不尽的特点。例如：太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、潮汐能等。
• 不可再生能源：指经过亿万年形成，短期内无法恢复，随着大规模开发利用储量会逐渐枯竭的能源。例如：煤炭、石油、天然气、核燃料等。

• 清洁能源（绿色能源）：指在使用过程中不排放污染物或排放极少，能够直接用于生产生活的能源。例如：太阳能、风能、水能、核能等。
• 非清洁能源：指在使用过程中会排放大量温室气体、有害气体或废弃物的能源。例如：煤炭、石油等化石燃料。

• 常规能源：指在现阶段科学技术水平下，已被人类大规模生产和广泛使用的能源。例如：煤炭、石油、天然气、水能等。
• 新能源：指目前尚未被广泛利用，正在积极研究开发以便推广利用的能源。例如：太阳能、地热能、海洋能、生物质能、核能等。

在自然界和人类生产活动中，能量的转化无处不在。以下是几种典型的能量转化实例：

转化过程	能量转化路径	典型应用
水力/风力发电	机械能 ${\displaystyle \to }$ 电能	水电站大坝、风力发电机
燃料燃烧	化学能 ${\displaystyle \to }$ 内能（热能）	煤炭燃烧取暖、内燃机做功
光合作用	光能 ${\displaystyle \to }$ 化学能	绿色植物生长
电池放电	化学能 ${\displaystyle \to }$ 电能	手机锂电池、干电池供电
电动机运转	电能 ${\displaystyle \to }$ 机械能	电风扇转动、电动汽车驱动
核电站发电	核能 ${\displaystyle \to }$ 内能 ${\displaystyle \to }$ 机械能 ${\displaystyle \to }$ 电能	压水堆核电站
白炽灯发光	电能 ${\displaystyle \to }$ 光能和内能	传统电灯照明

地球上的能量绝大部分直接或间接来源于太阳能。

• 直接来源：太阳辐射的光能和热能。
• 间接来源：
  • 化石能源（煤、石油、天然气）：实质上是古代生物通过光合作用固定下来的太阳能。
  • 风能、水能：由太阳辐射导致地球表面受热不均，引起大气流动和水循环而产生。
  • 生物质能：植物通过光合作用将太阳能转化为化学能储存在体内。

此外，地球内部放射性元素衰变产生的地热能，以及地球与月球、太阳引力相互作用产生的潮汐能，则不属于太阳能的范畴。

• 能量守恒定律
• 功 (物理学)
• 熵
• 能源
• 热力学定律