能量 （物理学的基本概念之一）

简介

能量与功的单位相同，在国际单位制中是焦耳（J）。原子物理学、原子核物理学、粒子物理学等领域中，能量常用电子伏（eV）作为单位；物理领域，也用尔格（erg）作为能量单位。

按照物质的不同运动形式分类，能量可分为机械能、化学能、热能、电能、辐射能、核能、光能、潮汐能等。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。各种物理场也具有能量。

概念介绍

能量是物理学的基本概念之一，不管是经典力学、相对论、量子力学，还是宇宙学，能量总是一个核心概念。

一般情况下，能量能从一个系统释放出来、或者从中获取、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释放出来的话，可以做12KWh的功。

能量是物理学中描述一个系统或一个过程常用的物理量。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所作的功的总和。一个系统有多少能量，在物理中并不是一个确定值，它随着这个系统的描述而变化。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”。

能量守恒定律指能量不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一种形式转化为另一种形式，而能量的总量保持不变。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，相遇后质量会转化为能量。任何运动都需要能量。能量的形式有许多种，例如光能、声能、热能、电能、机械能、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到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。

能量是一个常用的抽象的基本物理概念。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。

概念起源

能量的英文为“energy”，源于希腊语：ἐνέργεια，该字最早出现于公元前4世纪亚里士多德的作品中。伽利略时代开始出现了“能量”的思想，但还没有“能”这一术语。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。能量概念出自于17世纪莱布尼茨的“活力”想法，定义为一个物体质量和其速度的平方的乘积，相当于今天的动能的两倍。为了解释因摩擦而令速度减缓的现象，莱布尼茨的理论认为热能是由物体内的组成物质随机运动所构成，而这种想法和牛顿一致，虽然这种观念过了一个世纪后才被普遍接受。

1807年，托马斯·杨在伦敦国王学院讲自然哲学时，引入了能量（Energy）这个词是。针对当时“活力”或“上升力”的观点，他提出用“能量”这个词表述，并将其和物体所作的功相联系，但未引起重视，人们仍认为不同的运动中蕴藏着不同的力。1831年，法国学者科里奥利又引进了力做功的概念，并且在“活力”前加了1/2系数，称为动能，通过积分给出了功与动能的联系。1853年，出现了“势能”的概念，1856年，出现了“动能”这些术语。直到能量守恒定律被确认后，人们才认识到能量概念的重要意义和实用价值。

能量形式

动能

动能是物质运动时所具有的能量。它通常被定义成使某物体从静止状态至运动状态所做的功。由于运动是相对的，动能也是相对于具体参照系而言的。同一物体在不同的参照系会有不同的速率，也就是有不同的动能。动能的国际单位是焦耳（J），以基本单位表示是:千克米平方每秒平方（

在经典力学，一个质点（大小尺寸可以忽略的物体）或者一个没有自转的刚体的动能、速率与质量的关系是：

其中

而当一个物体的质量不变，一个物体平移的动能、速率与质量的关系亦同上。

一个物体的动能与动量的关系为：

其中

势能

势能是能量的一种，具有能量量纲，在国际单位制下的单位是焦耳（J），另外在涉及到粒子物理时常用到电子伏特（eV），高斯单位制下为尔格（erg）。势能一般使用“Ep”表示，一些场合下也使用“W”、“U”和“V”。势能是一个标量函数，当一个物体与多个物体共有势能或共有多种势能时，这个物体所具有的总势能为所有势能的代数和。

机械能

势能Ep与动能Ek之和称为机械能

外力的功与非保守内力的功之和等于质点系机械能的增量，这就是质点系的功能原理。用数学方式表达出来为

其中，

热能

指物质内部原子分子热运动的动能。温度愈高，物质所包含的热能愈大。热机是膨胀的水蒸气把它的热能变成了热机的动能。

电能

电能是指电以各种形式做功（或产生能量）的能力。电能被广泛应用在动力、照明、冶金、化学、纺织、通信、广播等各个领域，是科学技术发展、国民经济飞跃的主要动力。

辐射能

指光和电磁波的能量（光子的能量）。

核能

原子核内核子的结合能，它可以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。根据狭义相对论，物体的质量和能量之间存在着质能关系:E=

能量单位

能量是物质运动的一种量度。物质运动有多种形式，表现各异，但可互相转换，表明这些运动具有共性，有内在的统一的量度。能量以机械能、内能、电能、化学能等各种形式出现在不同的运动中，并通过作功、传热等方式进行转换。能量的单位有焦耳、尔格、千瓦时、电子伏（特）等。

能量在物理中的符号一般是 E，其国际单位是焦耳（简称焦），符号为J。在经典力学里，1焦耳等于施加1牛顿作用力经过1米距离所需的能量（或做的机械功）。在电磁学里，1焦耳等于将1安培电流通过1欧姆电阻1秒时间所需的能量。焦耳和其他单位的换算情况如下：

能量除焦尔外，常用的还有千瓦时（KWh）和卡（Cal）。

1J= 0.2388C= 0.278×

在原子物理和粒子物理中还经常使用电子伏：

1eV= 1.60217653 ×

在营养学中，卡（Cal）或千卡(Kcal)为能量的常用单位。1Kc指1Kg纯水的温度从15℃升到16℃所需要的能量。国际通用的能量单位是焦耳（J）。1J指用1牛顿（N）力把1Kg物体移动1m所需要的能量。1000KJ=1×

相关定律

能量守恒定律

能量必须遵守能量守恒定律。根据这个定律，能量只能从一种形式变为另一种形式而无法凭空产生或者是消灭。根据能量守恒定律，流入的能量等于流出的能量加上内能变化。

此定律是物理学中的基本准则。依照时间的平移对称性，宇宙中绝大部分现象都可以独立于时间变化之外，因此想将昨天、今天和明天发生的现象区分开来，事实上是不可能的。

这是因为能量是时间的正则共轭（canonical conjugate）量，数学上它们便存在了不确定性：要在有限的时间间隔里定义精确的能量值是不可能的。但这种不确定性不应该和能量守恒搞混。更准确来说，它提供了原则上可以被定义和测量的能量的数学极限值。

在量子力学中能量会以Hamiltonian算符来表示。在任何时间范围里，能量中的不确定性会以

能量守恒定律是许多物理定律的特征。以数学的观点来看，能量守恒是诺特定理的结果。如果物理系统在时间平移时满足连续对称，则其能量（时间的共轭物理量）守恒。相反的，若物理系统在时间平移时无对称性，则其能量不守恒，但若考虑此系统和另一个系统交换能量，而合成的较大系统不随时间改变，这个较大系统的能量就会守恒。由于任何时变系统都可以放在一个较大的非时变系统中，因此可以借由适当的重新定义能量来达到能量的守恒。对于平坦时空下的物理理论，由于量子力学允许短时间内的不守恒（例如正-反粒子对），所以在量子力学中并不遵守能量守恒，而在狭义相对论中能量守恒定律会转换为质能守恒定律。

质能守恒定律

质能守恒定律是指在一个孤立系统内，所有粒子的相对论动能与静能之和在相互作用过程中保持不变。质能守恒定律是能量守恒定律的特殊形式，它充分反映了物质和运动的统一性。

质能方程E=

营养学概念

人体能量

人体的能量需要量是指机体能长期保持良好的健康状况，具有良好的体型、机体构成和活动水平的个体，达到能量平衡并能维持从事生产劳动和社会活动所必须的能量摄入量。

人体每天所需能量的计算方式：成年人的能量消耗主要用于维持基础代谢、体力活动和食物特殊动力作用，是三方面能量消耗需要的总和。对于孕妇应包括子宫、乳房、胎盘、胎儿等的生长发育及母体体脂的储备，乳母则需要合成和分泌乳汁，婴幼儿、儿童、青少年则包括生长发育的能量需要，故能量处于平衡状态。具体计算方式如下：

成年男性：每日能量需要量（KJ）=体重（KG）×192；

成年女性：每日能量需要量（KJ）=体重（KG）×167；

并按劳动强度不同分别以不同系数加以调整。轻体力劳动、积极活动和剧烈活动的调整系数分别为0.9、1.17和1.34。

例如70Kg体重轻体力劳动男性，每日能量需要量约为：70×192×0.9=12096KJ，折算成千卡（Kc）为 2880Kc。