мини|300п|Трансформација енергије: током удара грома, 500 мегаџула електричне потенцијалне енергије се претвара у еквивалентну величину енергије светла, енергије звука и топлотне енергије
У физици, енергија је својство које мора бити пренето на објекат да би извршио рад, или да би се загрејао, и може бити конвертовано у други облик, али не може бити креирано нити уништено.
Енергија је способност вршења рада. Ова општа дефиниција је део основних дефиниција савремене физике, и то у оном делу који треба да одговори на питање о узроку и пореклу природних феномена акције, дејства и силе. Сваки физички систем поседује енергију у извесној количини. Количина енергије система није апсолутна вредност већ релативна у односу на референтно стање или референтни ниво. Енергија физичког система се дефинише као количина механичког рада кога систем може да произведе када мења своје текуће стање и прелази у референтно стање; на пример ако се литар воде охлади до 0 °C или када ауто удари дрво и успори од 120 -{km/h}- до 0 -{km/h}-.
У физици је енергија тесно повезана са појмом ентропија.
Историја мини|Томас Јанг - први је користио термин енергија у модерном значењу Израз потиче од грчке речи енергија () у значењу живахан, која се први пут највероватније појавила у раду Аристотела у 4. веку пре нове ере.
Томас Јанг је први 1807. године користио термин енергија уместо до тадашњег термина вис вива (жива сила), у модерном значењу. Гаспар Гистав Кориолис је први описао кинетичку енергију 1829, а 1853, је Вилијам Ранкин дефинисао термин потенцијална енергија.
У прошлости, о енергији се расправљало у смислу лако уочљивих ефеката на телима или стања различитих система. У основи, ако се нешто промени, неки облик енергије је одговоран за такву промену. Како се схватало да енергија може бити ускладиштена у тела, појам енергије је све више обухватао идеју способност (потенцијал) за промене као и саме промене. Такви ефекти (и потенцијални и актуелни) се појављују у разним облицима; пример је електрична енергија добијена из батерија, хемијска енергија ускладиштена у храни, топлотна енергија грејача воде или кинетичка енергија воза у покрету. Једноставно речено, енергија је „промена или способност за промене“, мада у стварном свету постоје примери који беже оваквом поједностављивању.
Појам енергије и рада су релативно нови алати којима баратају физичари. Ни Галилеј ни Њутн нису дали никакав допринос развоју теоретског модела енергије, и тако је било до половине 19. века када су се појавили ови појмови.
Развој парне машине је захтевао од инжењера да развију појмове и формуле који су им омогућили да опишу механичку и топлотну ефикасност њихових система. Инжењери као што су Сади Карно и Џејмс Прескот Џул, математичари Емил Клаперион и Херман фон Хелмхолц и аматери као Јулијус Роберт фон Мајер су сви допринели заједничком сагледавању да способност вршења рада јесте некако повезана са количином енергије у систему. Природа енергије је и даље била неухватљива и годинама је изазивала расправе да ли је енергија нека врста материје или једноставно физичка величина, као што су, на пример, притисак, температура, дужина,... итд.
Виљем Томсон (Лорд Келвин) је спојио све претходне законе у свој закон термодинамике, што је помогло убрзаном развоју енергетском приступу описа хемијских реакција Рудолфа Клаусијуса, Виларда Гибса и Волтера Нернста. Додатно, ово је омогућило Лудвигу Болцману да опише ентропију математичким појмовима и да заједно са Јожефом Штефаном разматра закон о енергији зрачења.
Облици енергије Енергија се може појавити у неколико облика: потенцијална енергија: постоји као последица положаја који објекат има у односу на друге објекте; кинетичка енергија: која је последица кретања тела; хемијска енергија: која је последица хемијских веза међу атомима супстанце објекта; електрична енергија: која је последица наелектрисања објекта; топлотна енергија: постоји као последица загрејаности тела; нуклеарна енергија: која постоји као последица нестабилности атомских језгара објекта електромагнетна енергија: је енергија зрачења, што може бити светлост, радио-таласи или други појавни облик истог феномена електромагнетног зрачења.
Претварање енергије Један облик енергије се може претворити у други; на пример, батерија претвара хемијску енергију (Лекланшеовог елемента) у електричну енергију, која се потом може претворити у топлотну (или светлосну - што је електромагнетна енергија). Слично, потенцијална енергија се претвара у кинетичку енергију воде која окреће турбину, која се потом претвара у електричну енергију посредством генератора. Приликом претварања енергије важи закон о одржању енергије.
Закон одржања енергије Закон одржања енергије тврди да се у затвореном систему не може мењати укупан износ енергије, он остаје константан. Овај закон је последица транслационе симетрије времена, што значи да физички процес не може зависити од тренутка почетка процеса на временској оси. Неки рад (значи и облици енергије) нису лако мерљиви без присуства посматрача.
Општи поглед на енергију У једној књизи која се бави популаризацијом науке се поставља интересантно питање шта дефинише и раздваја облике енергије?
"Ми смо опремљени са два различита и одвојена чула, једно реагује на електромагнетске таласе у опсегу приближно 4*10-4 до 8*10-4 mm, што је светлосно зрачење; друго чуло на нешто дуже таласне дужине, но ипак исте природе, топлотне таласе. Тако ми имамо два различита израза у нашем језику светлост и топлота, да нагласе ова два феномена, која објективно гледано немају јасну линију разграничења већ постепено прелазе из једног у друго. Питање је можемо ли електромагнетно зрачење таласне дужине 9*10-4 -{mm}- сматрати светлосним или топлотним таласима."
Значи, ако се врши посматрање разних облика енергије на оси таласног спектра на којој постоји бесконачно много разних таласних дужина, шта чини један облик енергије различитим од другог?
Испод следи набрајање облика енергије, како их ми доживљавамо у свакодневном окружењу: Кинетичка енергија: енергија тела у покрету Топлотна енергија: енергија повезана са топлотом Енергија звука: енергија механичких таласа ваздуха Електрична енергија: енергија покретних носилаца наелектрисања Потенцијална енергија: енергија коју објекат поседује у односу на други; познато и под називом ускладиштена енергија Хемијска енергија: ускладиштена енергија у хемијским супстанцама Нуклеарна енергија: енергија ускладиштена у атомским језгрима Енергија зрачења: енергија електромагнетних таласа, укључујући светлост
Јединице
Интернационални систем SI
Интернационална јединица за енергију и рад је џул (J), названа у част Џејмса Прескота Џула и његових експеримената којима је доказао еквиваленцију механичке и топлотне енергије.
Школска дефиниција рада је: Скаларни производ вектора силе и вектора помераја, дакле:
Прва формула се у јединицама СИ система изражава као:
Односно, један џул једнак је једном њутн-метру, као раду који изврши сила од једног њутна при померању тела на путу од једног метра, при су сила и померај истог смера.
Јединица енергије у нуклеарној физици је електронволт (eV), с обзиром да су редови величина изразито мали.
.
У спектроскопији се користи јединица:
што се објашњава инверзном зависношћу енергије зрачења од таласне дужине, при чему то следи из познате једначине:
.
Момент силе и енергија Приметимо да се момент силе изражава такође у њутн-метрима (Nm), што је иста јединица као и за енергију и није у питању случајност: момент силе од 1 њутн-метра дуж угла од 1 радијана врши рад (што је исто што и енергија) од 1 џула.
Друге јединице енергије У ЦГС систему, један ерг је 1 g cm2 s−2, што је 1.0×10 −7 J литар-атмосфера износи 101.325 J и давно је напуштена.
Краљевске/америчке јединице мере за енергију и рад укључују следеће јединице: стопа-фунта сила износи 1.3558 J, британска топлотна јединица (Btu), јединица која има неколико вредности и износи око 1055 J, и коњска снага-сат и износи 2.6845 MJ. киловат-час (kW h) је јединица која се користи веома често, поготово на рачунима за наплату електричне енергије, а један kW h је еквивалентно 3.6×106 J (3600 kJ or 3.6 MJ). Метричке јединице јесу конзистентне али ова изгледа чудно због једног једноставног разлога. Метричка јединица за време је секунда, а у сату има 3600 секунди—другим речима, 1 -{kW}- s = 1 kJ је прилагођено метричком систему, али је kW h примереније свакодневној употреби. калорија се углавном користи у дијетама и исхрани и представља количину топлоте потребну да један килограм воде загреје за један °C, у условима нормалног атмосферског притиска, 1 atm. Ова количина топлоте зависи мало од почетне температуре воде, што за последицу има разне калорије разних енергетских вредности. Вредност калорије (углавном) је 4.1868 kJ.
Калорије које служе за опис енергетске способности хране су велике калорије које за основу имају килограм, а не грам (воде) и зато се зову калорије хране. Оне се понекад називају килокалорије, подразумевајући да су калорије мале калорије засноване на граму, а као резултат се избегавају префикси за велике калорије (1 kcal је 4.184 kJ, никад 4.184 MJ, чак и када калорије значе веће јединице у истом документу или на налепници кутије са храном). Калорије хране се понекад означавају са Cal (1000 cal) са великим словом C, али је оваква врста обележавања чешћа у књигама хемије и физике—које не користе велике калорије—него у реалним применама где се оне ипак користе. (Оваква врста обележавања је збуњујућа у ситуацијама где се реч калорија појављује на почетку реченице или првој колони табеле састојака, где се и очекују велика слова за све састојке који се некако мере као што могу бити „Шећер“, „Гвожђе“ и слично.)
Пренос енергије
Рад
Претходно поменута дефиниција рада има своја ограничења. Она важи под условом да је сила константна, а путања тела није кривудава. Стога је потребно увести математички правилнију дефиницију, која се заснива на идеји да се кривудава путања подели на велики број мањих, приближно правих делова. Отуда се добија образац:
Одакле:
Из горње једначине следи да је рад () једнак интегралу скаларног производа вектора силе () и инфинитезимале вектора пута ().
Топлота
мини|Топлоту, као облик енергије, делимично чине потенцијална енергија и кинетичка енергија неког тела.
Топлота је уобичајени назив за топлотну енергију тела која је последица кретања атома и молекула тог тела. Ово кретање може бити транслаторно (кретање молекула и атома као целине унутар тела), вибрације (релативно кретање атома унутар молекула или кристалне решетке) и ротационо кретање. То је облик кретања који се обично повезује са температуром тела или агрегатним стањем материје. У хемији, топлота је износ енергије која се упије или ослободи приликом остваривања хемијских веза између атома у молекуле који су резултат хемијске реакције.
Веза између топлоте и енергије је слична вези између рада и енергије. Топлота се креће из области са вишом температуром ка области ниже температуре. Свако тело поседује извесну количину унутрашње енергије и она је везана са случајним, насумичним, кретањем његових атома или молекула. Ова унутрашња енергија је директно сразмерна температури тела. Када два тела различитих температура дођу у термички контакт они међусобно размењују унутрашњу енергију док се температура не изједначи. Износ енергије који се пренесе је једнак износу размењене топлоте. Уобичајена забуна се јавља мешањем појмова топлоте и унутрашње енергије, али постоји разлика: измена унутрашње енергије је једнака топлоти која из околине пређе на тело увећано за рад који околина изврши над телом.
Топлотна енергија се преноси на три начина: проводношћу (кондукцијом), протоком (конвекцијом) и зрачењем (радијацијом).
Очување енергије
Први закон термодинамике тврди да укупан износ енергије која уђе у систем мора бити једнака укупном износу енергије која изађе из система увећано за промену енергије унутар система.