能量是物理学中的基本物理量，表示一个物理系统对另一个系统做功或使其受热的能力。能量有多种形式，包括运动、在力场中的位置、化学键、原子核、辐射和热等。能量可以从一个系统传递到另一个系统，也可以从一种形式转化为另一种形式，但在孤立系统中，能量的总量保持不变。这一规律称为能量守恒定律，是科学中最为牢固确立的原理之一，贯穿经典力学、热力学、电磁学、化学和生物学。在国际单位制中，能量的单位是焦耳。1焦耳等于1牛顿的力使其作用点沿力的方向移动1米所做的功。
词源与历史
“能量”一词源自希腊语 energhéia。亚里士多德用这个概念指潜在的事物成为现实的过程。对亚里士多德而言，energeia 是一个定性的哲学概念，范围很广，连幸福和快乐这样的观念也包括在内。
能量的定量概念出现于近代早期力学的争论之中。戈特弗里德·莱布尼茨在1676年至1689年间提出了 vis viva（“活力”）的概念，将其定义为物体质量与速度平方的乘积，并认为活力的总量是守恒的。莱布尼茨的这一观点引起了争议，因为它似乎与勒内·笛卡尔主张的“运动量守恒”理论相抵触。活力在现代的对应概念是动能，两者只相差一个因子2。1807年，托马斯·杨在一次关于碰撞的讲座中把“能量”一词与这个量联系起来，这似乎是该词首次用于这一意义。相关术语“功”则由古斯塔夫·加斯帕尔·德·科里奥利和让-维克托·彭赛列于1828年至1829年间定义。1851年至1852年，威廉·汤姆森（开尔文勋爵）和威廉·约翰·麦夸恩·兰金开始用“能量”一词泛指科学各领域中的各种“力”。
完整的守恒原理还需要再迈出一步，即证明热是能量的一种形式。早期的热质说把热看作一种既不能产生也不能消灭的物质，而能量守恒则要求承认相反的原理：热与机械功可以相互转换。在詹姆斯·普雷斯科特·焦耳最著名的实验中，一个系在绳子上的重物下落，带动浸在水中的桨叶转动。他证明，重物下落时损失的重力势能等于水获得的热能。尤利乌斯·罗伯特·迈尔等人也各自独立得出了类似的结果，这是“同时发现”的一个典型例子。1847年，年仅26岁的德国医生兼物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹发表了极为重要的论文《论力的守恒》（Über die Erhaltung der Kraft），对这一原理作出了清晰的普遍表述。1905年，阿尔伯特·爱因斯坦又通过相对论确立了能量与质量的普遍等价关系。
能量的形式
物理学家把能量分为两类：由运动产生的动能，以及由物体在力场中的位置或排布产生的势能。势能包括：
许多常见的能量“形式”在微观层面上都是上述能量的组合：
守恒及其局限
有一种概括说法是：能量可以从一种形式转化为另一种形式，例如在汽车发动机中，汽油的化学能转化为热能和动能，但能量的总量保持不变。迄今从未发现违反这一原理的情况。在热力学中，第一定律就是能量守恒的表述。第二定律则加上了一条限制：在任何实际的转化过程中，都有一部分能量最终变成用处较小的热，同时熵增加。因此，任何热机都不能把热完全转化为功。
20世纪，守恒背后的理论得到了深化。1918年，诺特推广了拉格朗日等人的结果，并证明了其逆命题：对称性蕴含守恒定律，反之亦然。在这一框架下，诺特定理把能量守恒与物理定律不随时间改变这一事实联系起来。同一框架也解释了为什么在某些情形下难以对能量作出全局定义。启发诺特这项工作的爱因斯坦广义相对论，本身也给守恒定律带来了困难。这一困难对宇宙学所研究的膨胀宇宙尤为重要。
生命系统中的能量
生物是开放系统，需要持续的能量流来维持有序状态。在光合作用中，植物和其他自养生物捕获太阳辐射，并以化学能的形式储存在糖类中。随后，细胞呼吸释放这些能量并将其储存在ATP中，为生长、运动和维持稳态提供动力。能量沿生态系统的食物链逐级向上传递时，每一级都有大部分以热的形式散失，这限制了食物链所能拥有的层级数。在人类营养学中，食物所含的能量通常以千卡或千焦为单位。
能源与社会
在日常和经济用语中，“能源”通常指能够提供有用功的资源，包括燃料、电力和热。工业革命期间，机械化的能源利用急剧扩张，蒸汽机把煤的化学能转化为机械功。
根据能源研究所发布的《世界能源统计年鉴》，2025年全球能源总供应量（以艾焦耳计）比2024年增长1.7%，略高于600艾焦耳。化石燃料仍占主导地位，占全球能源供应的86%，其余来自其他能源：可再生能源占一次能源消费总量的5.9%，水电占2.7%，核电占5.2%。这些数字均为一次能源数据。分析人士指出，化石燃料中的大量能量从未转化为有用功，因为其能量约有三分之二在燃烧过程中损失。电力在能源使用中所占的比重不断上升。2025年电力需求比2024年增长3%，主要原因是电动汽车和人工智能数据中心的增长。
燃烧化石燃料会释放二氧化碳，因此能源生产与气候变化密切相关。这一关联推动了对可再生能源、核电和能效的投资。这种语境下的“节约能源”指减少能源需求，不应与同名的物理定律“能量守恒”混为一谈。
参考来源
- JOULE Definition & Meaningdictionary.com
- The history of the concept of energy and workspark.iop.org
- Who was the first to use the word "energy"?quizzclub.com
- Vis vivaen.wikipedia.org
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- What does energy really mean?physicsworld.com
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- Conservation of Energy: Missing Features in Its Nature and Justification and Why They Matterncbi.nlm.nih.gov
- Renewables Supplied Just 6% of Global Primary Energy in 2025clintel.org
- Fossil Fuels Dominate Global Energy Supply in 2025 - IERinstituteforenergyresearch.org
- news: Energy Institute releases 2026 Statistical Review of World Energydieselnet.com
- Six charts show how clean power was world’s largest source of new energy in 2025 - Carbon Briefcarbonbrief.org