能量

能量

能量（英文名：Energy）是衡量物质存在和运动变化的量度，是物理学中一个重要的基本概念。经典力学对能量的定义是指物体做功能力的量度。[14]它以各种形式存在，如动能（运动的能量）、势能（储存的能量）、热能（热量）、化学能（储存在化学键中）、核能（来自原子反应）等等。[15][16]能量的SI单位是焦耳（J），其中1J=1‎kg⋅m2⋅s−2。其他单位包括千瓦时（kW-h）、英国热量单位（BTU）、卡路里（cal）、千卡（C）、电子伏特（EV）、尔格（erg）和英尺磅（ft-lb）[17][10]。在一个孤立体系中，其总能量是守恒的[18]。能量守恒定律指出：能量既不会凭空产生，也不会凭空消灭，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，而在转化或转移的过程中，总量保持不变。[19]质能关系式表明：质量和能量具有相当性，具有一定质量的物体也必具有和这质量相当的能量，具有某种能量的物体也必具有和这能量相当的质量。[20]

能量（英文名：Energy）是衡量物质存在和运动变化的量度，是物理学中一个重要的基本概念。经典力学对能量的定义是指物体做功能力的量度。[15]它以各种形式存在，如动能（运动的能量）、势能（储存的能量）、热能（热量）、化学能（储存在化学键中）、核能（来自原子反应）等等。[16][17]能量的SI单位是焦耳（J），其中1J=1‎kg⋅m2⋅s−2。其他单位包括千瓦时（kW-h）、英国热量单位（BTU）、卡路里（cal）、千卡（C）、电子伏特（EV）、尔格（erg）和英尺磅（ft-lb）[18][11]。

在一个孤立体系中，其总能量是守恒的[19]。能量守恒定律指出：能量既不会凭空产生，也不会凭空消灭，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，而在转化或转移的过程中，总量保持不变。[20]质能关系式表明：质量和能量具有相当性，具有一定质量的物体也必具有和这质量相当的能量，具有某种能量的物体也必具有和这能量相当的质量。[21]

能量一词源自古希腊语：ἐνέργεια，这可能首次出现在公元前4世纪亚里士多德的著作中[2]。1686年，戈特弗里德·莱布尼茨（Gottfried Leibniz）提出了拉丁语的概念：vis viva，[2]1807年托马斯·杨（Thomas Young）在《关于自然哲学和机械技术教程》一书中，首次用“能”（energy）这个词来表示活力。[22]

能源是人类赖以生存的基础，也是人类从事生产和社会活动的基础。能源的开发利用程度标志着人类社会进化和发展的程度。[23]能量的学科应用方面，化学科学主要研究化学反应中的能量变化或转化[13]；生命科学主要研究能量对生物的影响[14]；计算机科学中能量被用于评估和优化硬件和软件系统的能源效率[24]；地球科学中研究能量对地球的动力学过程的影响[25]；宇宙学中阐述能量的普遍形式与表现。[26]

能量的形式

能量是衡量物质存在和运动变化的量度，是物理学中一个重要的基本概念。经典力学对能量的定义是指物体做功能力的量度。[15]利用能量从实质上讲就是利用自然界的某一自发变化的过程来推动另一人为的过程。例如，水力发电就是利用水从高处流往低处的这一自发过程，使水的势能转换为动能，再推动水轮机转动，水轮机又带动发电机，通过发电机将机械能转换为电能供人类利用。显然能量利用的优劣，利用效率的高低与具体过程密切相关。而且利用能量的结果必然和能量系统的始末状态相联系，例如水力发电系统通过消耗一部分水能来获得电能，系统的始末状态（如水位、流量等）都发生了变化。[4]

对能量的分类方法没有统一的标准，被人类广泛接受的能量形式有如下六种，分别为机械能、热能、化学能、电能、辐射能、核能。[4]

能量形式定义
机械能（mechanical energy）机械能是与物体宏观机械运动或空间状态相关的能量，前者称之为动能，后者称之为势能。它们都是人类最早认识的能量形式[4]
热能（thermal energy）热能是能量的一种基本形式，所有其他形式的能量都可以完全转换为热能，而且绝大多数的一次能源都是首先经过热能形式而被利用的，因此热能在能量利用中有重要意义。构成物质的微观分子运动的动能和势能的总和称为热能[4]
化学能（chemical energy）化学能是物质结构能的一种，即原子核外进行化学变化时放出的能量。按化学热力学定义，物质或物系在化学反应过程中以热能形式释放的内能称为化学能[4]
电能（electrical energy）电能是和电子流动与积累有关的一种能量，通常是由电池中的化学能转换而来的，或者是通过发电机由机械能转换得到的；反之，电能也可以通过电动机转换为机械能[4]
辐射能（radiant energy）辐射能是物体以电磁波形式发射的能量。物体会因各种原因发出辐射能，其中从能量利用的角度而言，因热的原因而发出的辐射能（又称热辐射能）是最有意义的[4]
核能（nuclear energy）核能是从原子核（由质子和中子组成）释放的能量形式。这种能量来源可以通过两种方式产生：裂变——原子核分裂成几个部分——或聚变——原子核融合在一起。它可以通过质量差来计算[8][27]
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能量的来源

历史

能量是一个古老的概念，公元前四世纪，亚里士多德就在其著作中用古希腊语：ἐνέργεια一词表示能量。[2]1686年，戈特弗里德·莱布尼茨（Gottfried Leibniz）提出了拉丁语的概念：vis viva，即生命力，其定义为物体质量与其速度平方的乘积[28][2]；1695年，莱布尼茨以另一种特殊的形式给出了活力（vis viva）的概念，即力和路程的乘积。[22]托马斯·杨（Thomas Young）可能是第一个使用“能量”一词来代替现代意义上的“vis viva”的人[2]。1807年托马斯·杨在《关于自然哲学和机械技术教程》[29]一书中，用“能”（energy）这个词来表示活力。杨根据热与光的比较，得知物体的辐射热与红外线的热效应相一致，从而认识到热与光在本质上是相同的（他认为都是波动）。[22]

戈特弗里德·莱布尼茨（Gottfried Leibniz）
戈特弗里德·莱布尼茨（Gottfried Leibniz）

古斯塔夫-加斯帕德·科里奥利（Gustave-Gaspard Coriolis）于1829年描述了现代意义上的“动能”。1849—1851年威廉·汤姆森（William Thomson）引入术语：动能(kinetic energy)，1853年兰金(Rankine)引入势能(potential energy)，如今形式的机械能守恒定律得以表述。在功与能概念完善的基础之上，经过以迈尔（Julius Robert Mayer）、焦耳（James Prescott Joule）、亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）等为代表的大量科学家对永动机、热功转换乃至化学、生理等方面大量过程的研究，进一步形成了更为广泛的能量守恒定律，其应用范围比动量守恒更广。[30]

托马斯·杨（Thomas Young）
托马斯·杨（Thomas Young）

系统

在物理学中，系统是指研究的对象或关注的部分，它可以包括任何数量的物体，以及这些物体之间的相互作用。系统通常与外部环境通过系统边界分隔开来。系统可以依边界允许的质量或能量交换方式来分类，简单分类可以分为以下三类：开放系统、封闭系统和孤立系统。[31]

开放系统系统与环境之间存在能量和物质传递封闭系统系统与环境之间只有能量传递，没有物质传递孤立系统系统与环境之间既无能量传递，又无物质传递[31]

系统
系统

可逆和不可逆

自然界的宏观过程的方向性就是说这些过程都是自发沿某一方向进行，其反方向不能自发进行，或反方向可以进行但一定伴随有其他过程。这种方向性可以用过程的不可逆性来描述。[32]

不可逆过程是指：如果一个过程发生以后，无论通过何种途径都不能使系统和外界回到原来状态而没有引起任何变化。[32]

可逆过程是指：如果一个过程发生以后，可以反向进行，同时使系统和外界回到原来状态而没有引起任何变化。[32]

从不可逆过程的讨论中可见，凡是伴随有摩擦（功变热）或存在有限大小的温差（热传导）的过程都是不可逆过程。只有无摩擦的（不存在功变热），而且系统经历的变化过程中的每一个状态与热源（外界）之间的温差无限接近（不存在热传导），才是可逆过程。因此，只有无摩擦的准静态过程才是可逆过程。[32]

能源

能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。确切而简单地说，能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源[33]。

能源亦称能量资源或能源资源。是指可产生各种能量（如热量、电能、光能和机械能等）或可作功的物质的统称。是指能够直接取得或者通过加工、转换而取得有用能的各种资源，包括煤炭、原油、天然气、煤层气、水能、核能、风能、太阳能、地热能、生物质能等一次能源和电力、热力、成品油等二次能源，以及其他新能源和可再生能源。[33]

能量守恒定律

能量守恒定律指出：自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同的形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，转化和传递中能量的数量不变。系统的总能量由内能、宏观动能和宏观位能组成。从微观上看，物体的内能是指组成物体的一切微观粒子的动能和粒子间相互作用势能的总和。具体来说包括分子及原子的热运动动能，原子的振动势能，分子间相互作用势能，分子，原子内的能量，如原子核内部的能量等。与原子结构的变化有关的内能称为“化学”内能。所有的燃烧过程以及蓄电池的放电反应都是由于化学反应而引起内能变化的例子。此外，当有电磁场与系统相互作用时还包括相应的电磁形式的能量。当然，在一般的热力学过程中，物体的化学能，核能都不会变化，因而不会表现出来。[34]

质能转换

质能转换方程是狭义相对论的重要推论，由阿尔伯特·爱因斯坦提出。该方程是描述质量与能量之间的当量关系的方程[35]。

其中，E表示能量，m表示质量，c表示真空中的光速（常量，c=299792.458km/s）[35]。1907年，爱因斯坦写下了关于狭义相对论和质能关系的论文——《关于相对性原理所要求的能量惯性问题》和《关于相对性原理由此得出的结论》，进一步揭示了“同惯性有关的质量m相当于其量的”，“对于孤立的物理体系，质量守恒定律只有在其能量保持不变的情况下是正确的”。在历史上两条相互独立的自然规律——能量守恒和质量守恒由相对论统一起来了[35][36]。

爱因斯坦
爱因斯坦

能量均分定理

能量均分定理的表述为：在温度为的平衡态，物质分子的每个自由度都具有相同的平均动能，其大小都等于。

能量均分定理能从经典统计物理中得到严格的证明，是关于分子热运动动能的统计规律。对个别分子来说，在任一时刻它的各自由度的动能与按能量均分定理所确定的平均值可以有很大的差别，而且每一种形式动能也不见得按自由度均分。但大数分子在平衡态时动能按自由度均分，是统计平均结果。[37]

热力学第一定律

热力学第一定律是能量转换与守恒定律在热现象上的应用，确定了热能和其他能量之间转换过程中的相互数量关系。[38]

在工程热力学中，热力学第一定律可具体表达为：热可以变为功，功也可以变为热，两者之和维持守恒。一定数量的热消失时，必定产生与之数量完全相等的功；反之，消耗一定数量的功，也必定出现数量相同的热，即能量不可能凭空产生或消失。[38]

热力学第二定律

热力学第二定律是反映自发过程具有方向性与不可逆性这一规律的定律，其实质是指出了能量的品质属性。

热力学第二定律有过多种表述方法，常见有以下几种说法：

克劳修斯的说法：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。

开尔文的说法：不可能从单一热源吸取热量使之完全变为功而不引起其他变化。

克劳修斯和开尔文说法都指某一过程是“不可能”的，即指明某种自发过程的逆过程是不能自动进行的。克劳修斯的说法是指明热传导的不可逆性，实质是说明能量传递的方向性，指出了热量传递的必要条件；开尔文的说法是指明摩擦生热（功变热）的过程的不可逆性，实质是说明能量转换的方向性，指出了热能转换为机械能的条件，是能量守恒定律的补充，这两种说法对自发过程的认识实际上是等效的。[39]

焦耳定律

1841年，英国物理学家詹姆斯·焦耳发现载流导体中产生的热量Q（称为焦耳热）与电流I的平方、导体的电阻R和通电时间t成比例。在纯电阻电路中（如电阻、白炽灯、电炉、电热毯等），电流所做的功（电功）全部转化为焦耳热Q[40]。

[40]

其中Q指热量，单位是焦耳（J），I指电流，单位是安培（A），R指电阻，单位是欧姆（），t指时间，单位是秒（s），以上单位全部用的是国际单位制中的单位。[41]

能量转换

能量以不同的形式或状态储存在各种物质或物体中。能量可以从一种形式转换成另一种形式，转换过程中能量的总和保持不变。要想得到一定的功，必须消耗一定其他形式的能量，不消耗能量而产生机械功的机器（第一类永动机）是不可能制成的。但能量转换过程的实现是有条件、方向及限度（效率）约束的。例如：热量总是自发地由高温物体传向低温物体，而不能自发地从低温物体向高温物体传递；机械能（摩擦功）能够自发地转变为热能，而热能却不能自发地、全部地转变成机械能；从热物体排出热量的制冷过程必须消耗功；从高温热源获得的热量（如发动机燃料燃烧释放热量等）转变成机械能时，必须有一部分热量被损失掉（如发动机排出的废气带走的热量排向大气，冷却液带走的热量等），热利用率不可能是100%，但可以通过减少各种损失，尽可能提高热利用率。[42]

能量转换
能量转换

能量转换类型举例机械能转换当物体在重力场中上升或下降时，它的势能和动能会发生转换[43]热能转换化学燃料燃烧使化学能转化为热能，蒸汽机将热能转化为机械能[44]电能转换发电机将机械能转换为电能。电能可以通过电动机转换为机械能[45]化学能转换化学反应中的能量变化涉及到化学能的转换。电池将化学能转换为电能，而火焰则是将化学能转化为光和热能的例子[46]光能转换光伏电池利用光能将其转换为电能[47]核能转换核电站通过核裂变将核能转换为热能，再通过蒸汽轮机转换为电能[48]生物能转换光合作用是将太阳能转化为化学能的生物过程。生物体通过新陈代谢将食物中的化学能转换为机械能和热能[49]

相关单位

单位焦耳（J）千瓦小时（kW.h）千克力米（kgf.m）升大气压（l·atm）英尺磅达（ft·pdl）英尺磅力（ft·lbf）英马力小时（hp.h）
焦耳（J）
1J=		12.77778×10-70.1019720.986923×10-223.73040.7375623.765207×10-7
千瓦小时（kW.h）1kW·h=3.6×10613.67098×1053.55292×1048.54293×10-72.65522×1061.34102
千克力米（kgf.m）
1kgf.m=		9.806652.72407×10810.0967841232.7157.233013.65304×10-6
升大气压（l·atm）
1l·atm=		101.3252.81458×10-510.332312404.4874.73353.77442×10-5
英尺磅达（ft·pdl）
1ft·pdl=		0.04214011.1705610-80.004297104.15891×10-410.03108101.56974×10-8
英尺磅力（ft·lbf）
1ft·lbf=		1.355823.76616×10-70.1382551.33809×10-232.174015.05051×10-7
英马力小时（hp.h）
1hp.h=		2.68452×1060.7457002.73745×1052.64941×1046.37046×10-71.98×1061

机械能 

机械能包括动能与势能，动能的计算公式为，m表示物体的质量，v表示物体的速度。势能的测量见2.1节[51][52]。

热能

所有其他形式的能量都可以完全转换为热能，而且绝大多数的一次能源都是首先经过热能形式而被利用的。

若系统的熵shāng的变化为，则热能可表述成如下的形式：

[4]

化学能

物质化学能的绝对值无法测量，而只能测量其改变值，故通常先假定一个化学能为零的标准点，然后测量被测元素和化合物相对这一标准点的化学能增减值。

可根据能量守恒定律，通过计算化学反应过程中热能增加或减少的值，计算出化学能。[53]

电能

直流电能的测量可通过功率测量的读数乘以时间而得，即

对于一般的直流电路的电能可用直流电能表（电度表）来测量。直流电能表属于电动式仪表。它有一组电压线圈和一组电流线圈、分别接于被测电路之中。

直接接入式直流电能表
直接接入式直流电能表

交流有功电能可通过单相有功电能表（单相瓦时表）测量；交流无功电能可使用三相无功电能表测量。[54]

辐射能

探测和测量辐射能的两种主要光探测器是热探测器和量子探测器。

在热探测器中，辐射能被吸收并转化为热能，探测器对吸收介质的温度变化做出反应，热探测器包括普通温度计、热电偶、辐射热计和日射强度计。

量子探测器对入射光子的数量产生响应，量子探测器包括照相胶片和各种光伏、光电导和光电发射探测器。[55]

辐射能也可由下式计算：

式中：指物体的发射率

指黑体辐射系数

指物体的热力学温度（绝对温度）[56]

核能

原子核内部的运动非常复杂，目前还不能给出核力的完全描述。但在核裂变和核聚变反应中都有所谓的“质量亏损”，这种质量和能量之间的转换完全可以用描述。[56]

因此可以测量核反应前后系统的质量差值，然后根据公式算出核反应释放的能量[8]

化学

化学科学主要研究化学反应中的能量变化或转化，化学能以多种途径与其他形式的能进行转化，并直接参与到整个自然界的能量循环之中，化学科学在能源的开发和利用方面发挥着重要作用；不管是宏观物质还是微观粒子都具有能量，宏观物质化学反应中表现出来的能量变化是微粒作用力发生变化的集合体：化学键的强弱用能量来衡量，由于化学物质微粒间作用方式的不同，化学键的划分类型不同，故能量衡量的角度也就不同。化学中的能量观可以涵盖原子、分子、电子等微观粒子的能量，化学键的键能，物质的稳定性，化学反应的能量效应、化学能与热能、光能和电能的转换，化石燃料。[13]

生命科学

世界上的生物总是在不停地运动着。动物在奔跑、飞翔、游泳。植物日复一日追逐着太阳。即使是微生物，也在不停地运动。我们体内的细胞的各个部分也在不停地运动，这些运动使我们的细胞可以生长、分裂、改变形状、甚至运动。除了运动之外，生物的触觉和听觉要求细胞能够感知非常细微的机械力。运动和感知都需要能量[14]。

计算机科学

在计算机和信息技术中，能量被用于评估和优化硬件和软件系统的能源效率，以减少能源消耗。软件能耗的概念是Tiwari等人于1994年在研究系统能耗时，发现仅从硬件结构角度评估系统能耗，无法满足系统级能耗评估需求时提出的。Tiwari等人认为软件能耗是指令在处理器上执行过程中系统部件消耗的能量[24]。

地球科学

能量在地球的动力学过程中扮演着关键角色，包括大气运动、地壳运动和海洋循环等[57][58]。地球内部的热能和太阳辐射会影响地球的板块运动[25]。

宇宙学

能量是客观存在的，它是宇宙存在的最普遍形式与表现。换言之，宇宙完全是由能量形成的。能量的表现形式多样，暗物质、暗能量、电磁能量场、物理能、化学能、物质等都是能量的表现。[26]

参考资料 58

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  56. 参考 56
  57. https://www.nstl.gov.cn/paper_detail.html?id=472e7e3a80bc67816ac4c461fde12de2
  58. http://kns.cnki.net.https.tsg.proxy.jxust.edu.cn/KCMS/detail/detail.aspx?dbname=cjfd2020&filename=ysxb202006001&dbcode=cjfq
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