Энергия
${\displaystyle E}$,${\displaystyle W}$
Размерность	${\displaystyle L^{2}M{T}^{-2}}$
Единицы измерения
СИ	Дж
СГС	эрг

Эне́ргия (др.-греч.ἐνέργεια — «то, что задействует / вводит в действие», «сила», «мощь») —скалярнаяфизическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействияматерии, мерой перехода движения материи из одних форм в другие. Введение понятия энергии удобно тем, что в случае, еслифизическая система является замкнутой, то её энергия сохраняется в этой системе на протяжениивремени, в течение которого система будет являться замкнутой. Это утверждение носит названиезакона сохранения энергии^[1].

С фундаментальной точки зрения энергия представляет собой один из трёх (наравне симпульсом имоментом импульса)аддитивныхинтегралов движения (то есть сохраняющихся во времени величин), связанный, согласнотеореме Нётер, с однородностьювремени, то есть независимостью законов, описывающих движение, от времени.

Слово «энергия» введеноАристотелем в трактате «Физика», однако там оно обозначало деятельность человека.

Обычно энергия обозначается символомЕ — отлат. energīa (действие, деятельность, мощь).

Для обозначения количества теплоты (величины энергии, переданной теплообменом) обычно используется символQ — отангл. quantity of heat (количество теплоты).

Для обозначения работы, как количества переданной энергии, обычно используется символA — отнем. arbeit (работа, труд) или символW — отангл. work (работа, труд).

Для обозначения мощности, как количества изменения энергии за единицу времени, используют символW.

Для обозначения внутренней энергии тела обычно используется символU (происхождение символа подлежит уточнению).

Термин «энергия» происходит от греческого словаἐνέργεια, которое впервые появилось в работахАристотеля и обозначалодействие илидействительность (то есть действительное осуществление действия в противоположность его возможности). Это слово, в свою очередь, через приставку эн- (др.-греч.ἐν, означающую «в, внутри, внутрь») образовано от греческой основы ἔργον («эргон») — «работа».Праиндоевропейский кореньwerg обозначал работу или деятельность (ср.англ. work,нем. Werk). В виде основыἔργον присутствует в такоминтернационализме греческого происхождения какэргономика (приспособленность чего-либо к человеческой деятельности), в видеοργ /ουργ — в такихгреческих словах, какоргия (блудодейство) илитеургия (божественное действо) и т. п.

Лейбниц в своих трактатах 1686 и 1695 годов ввёл понятие «живой силы» (vis viva), которую он определил как произведение массы объекта и квадрата его скорости (в современной терминологии —кинетическая энергия, только удвоенная). Кроме того, Лейбниц верил в сохранение общей «живой силы». Для объяснения уменьшения скорости тел из-затрения, он предположил, что утраченная часть «живой силы» переходит к атомам.

МаркизаЭмили дю Шатле в книге «Учебник физики» (фр. Institutions de Physique, 1740), объединила идею Лейбница с практическими наблюдениямиВиллема Гравезанда.

В 1807 годуТомас Юнг первым использовал термин «энергия» в современном смысле этого слова взамен понятия «живая сила»^[2].Гаспар-Гюстав Кориолис раскрыл связь между работой и кинетической энергией в 1829 году.Уильям Томсон (будущий лорд Кельвин) впервые использовал термин «кинетическая энергия» не позже 1851 года, а в 1853 годуУильям Ренкин впервые ввёл понятие «потенциальная энергия».

Несколько лет велись споры, является ли энергия субстанцией (теплород) или только физической величиной.

Развитие паровых двигателей требовало от инженеров разработать понятия и формулы, которые позволили бы им описать механический и термическийКПД своих систем. Физики (Сади Карно,Джеймс Джоуль,Эмиль Клапейрон иГерман Гельмгольц), математики — все развивали идею, что способность совершать определённые действия, называемаяработой, была как-то связана с энергией системы. В 1850-х годах, профессорнатурфилософии из Глазго Уильям Томсон и инженер Уильям Ренкин начали работу по замене устаревшего языка механики с такими понятиями как «кинетическая и фактическая (actual) энергии»^[2]. Уильям Томсон соединил знания об энергии в законы термодинамики, что способствовало стремительному развитию химии.Рудольф Клаузиус,Джозайя Гиббс иВальтер Нернст объяснили многие химические процессы, используя законы термодинамики. Развитие термодинамики было продолжено Клаузиусом, который ввёл и математически сформулировал понятиеэнтропии, и Джозефом Стефаном, который ввёл закон излучения абсолютно чёрного тела. В 1853 году Уильям Ренкин ввёл понятие «потенциальная энергия»^[2]. В 1881 году Уильям Томсон заявил перед слушателями^[3]:

Само словоэнергия, хотя и было впервые употреблено в современном смысле доктором Томасом Юнгом приблизительно в начале этого века, только сейчас входит в употребление практически после того, как теория, которая дала определение энергии, … развилась от просто формулы математической динамики до принципа, пронизывающего всю природу и направляющего исследователя в области науки.

Оригинальный текст (англ.)

The very name energy, though first used in its present sense by Dr Thomas Young about the beginning of this century, has only come into use practically after the doctrine which defines it had … been raised from mere formula of mathematical dynamics to the position it now holds of a principle pervading all nature and guiding the investigator in the field of science.

В течение следующих тридцати лет эта новая наука имела несколько названий, например, «динамическая теория тепла» (англ. dynamical theory of heat) и «энергетика» (англ. energetics). В 1920-х годах общепринятым стало название «термодинамика» — наука о преобразовании энергии.

Особенности преобразованиятепла иработы были показаны в первых двухзаконах термодинамики. Наука об энергии разделилась на множество различных областей, таких какбиологическая термодинамика итермоэкономика (англ. thermoeconomics). Параллельно развивались связанные понятия, такие какэнтропия, мера потери полезной энергии,мощность, поток энергии за единицу времени, и так далее. В последние два века использование слова энергия в ненаучном смысле широко распространилось в популярной литературе.

В 1918 году было доказано, чтозакон сохранения энергии есть математическое следствиетрансляционной симметрии времени, величины сопряжённой энергии. То есть энергия сохраняется потому, что законы физики не изменяются с течением времени (см.Теорема Нётер,изотропияпространства).

В 1961 году выдающийся преподаватель физики и нобелевский лауреат,Ричард Фейнман в лекциях так выразился о концепции энергии^[4]:

Существует факт, или, если угодно,закон, управляющий всеми явлениями природы, всем, что было известно до сих пор. Исключений из этого закона не существует; насколько мы знаем, он абсолютно точен. Название его —сохранение энергии. Он утверждает, что существует определённая величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе. Само это утверждение весьма и весьма отвлечённо. Это по существу математический принцип, утверждающий, что существует некоторая численная величина, которая не изменяется ни при каких обстоятельствах. Это отнюдь не описание механизма явления или чего-то конкретного, просто-напросто отмечается то странное обстоятельство, что можно подсчитать какое-то число и затем спокойно следить, как природа будет выкидывать любые свои трюки, а потом опять подсчитать это число — и оно останется прежним.

Оригинальный текст (англ.)

There is a fact, or if you wish, a law, governing natural phenomena that are known to date. There is no known exception to this law—it is exact so far we know. The law is called conservation of energy; it states that there is a certain quantity, which we call energy that does not change in manifold changes which nature undergoes. That is a most abstract idea, because it is a mathematical principle; it says that there is a numerical quantity, which does not change when something happens. It is not a description of a mechanism, or anything concrete; it is just a strange fact that we can calculate some number, and when we finish watching nature go through her tricks and calculate the number again, it is the same.

—Фейнмановские лекции по физике^[5]

Видыэнергии:
	Механическая	Потенциальная  Кинетическая
‹♦›	Внутренняя
	Электромагнитная	Электрическая  Магнитная
	Химическая
	Ядерная
${\displaystyle G}$	Гравитационная
${\displaystyle \mathrm{\varnothing }}$	Вакуума
Гипотетические:
${\displaystyle }$	Тёмная
См. также:Закон сохранения энергии

Механика различаетпотенциальную энергию (или, в более общем случае,энергию взаимодействия тел или их частей между собой или с внешними полями) икинетическую энергию (энергия движения). Их сумма называетсяполной механической энергией.

Энергией обладают все виды полей. По этому признаку различают:электромагнитную (разделяемую иногда на электрическую и магнитную энергии),гравитационную (тяготения) иатомную (ядерную) энергии (также может быть разделена на энергиюслабого исильного взаимодействий).

Термодинамика рассматриваетвнутреннюю энергию и иныетермодинамические потенциалы.

Вхимии рассматриваются такие величины, какэнергия связи,химическое сродство, имеющие размерность энергии, отнесённой кколичеству вещества. См. также:химический потенциал.

Энергиявзрыва иногда измеряется втротиловом эквиваленте.

Кинетическая энергия — энергиямеханической системы, зависящая отскоростей движения её точек. Часто выделяют кинетическую энергиюпоступательного ивращательного движения. Единица измерения вСИ —джоуль. Более строго, кинетическая энергия есть разность между полной энергией системы и еёэнергией покоя; таким образом, кинетическая энергия — часть полной энергии, обусловленнаядвижением.

Потенциальная энергия${\displaystyle U(\overrightarrow{r})}$ —скалярнаяфизическая величина, характеризует запас энергии некоего тела (или материальной точки), находящегося в потенциальном силовом поле, который идёт на приобретение (изменение) кинетической энергии тела за счёт работы сил поля. Другое определение: потенциальная энергия — это функция координат, являющаяся слагаемым влагранжиане системы, и описывающая взаимодействие элементов системы^[6].

Термин «потенциальная энергия» был введён в XIX векешотландским инженером и физикомУильямом Ренкином. Единицей измерения энергии вСИ являетсяджоуль. Потенциальная энергия принимается равной нулю для некоторой конфигурации тел в пространстве, выбор которой определяется удобством дальнейших вычислений. Процесс выбора данной конфигурации называетсянормировкой потенциальной энергии.

Гравитационная энергия —потенциальная энергия системы тел (частиц), обусловленная их взаимнымтяготением.Гравитационно-связанная система — система, в которой гравитационная энергия больше суммы всех остальных видов энергий (помимоэнергии покоя). Общепринята шкала, согласно которой для любой системы тел, находящихся на конечных расстояниях, гравитационная энергия отрицательна, а для бесконечно удалённых, то есть для гравитационно не взаимодействующих тел, гравитационная энергия равна нулю. Полная энергия системы, равная сумме гравитационной икинетической энергии постоянна, для изолированной системы гравитационная энергия являетсяэнергией связи. Системы с положительной полной энергией не могут быть стационарными.

Ядерная энергия (атомная энергия) — это энергия, содержащаяся ватомных ядрах и выделяемая приядерных реакциях.

Энергия связи — энергия, которая требуется, чтобы разделить ядро на отдельныенуклоны, называется энергией связи. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, неодинакова для разныххимических элементов и, даже,изотопов одного и того же химического элемента.

Внутренняя энергия тела (обозначается как E или U) — это сумма энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекул. Внутреннюю энергию тела нельзя измерить напрямую. Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния системы. Это означает, что всякий раз, когда система оказывается в данном состоянии, её внутренняя энергия принимает присущее этому состоянию значение, независимо от предыстории системы. Следовательно, изменение внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое будет всегда равно разности между её значениями в конечном и начальном состояниях, независимо от пути, по которому совершался переход.

Химический потенциал${\displaystyle \mu }$ — один изтермодинамических параметров системы, а именно энергия добавления одной частицы в систему без совершения работы.

Взрыв —физический или/ихимическийбыстропротекающий процесс с выделением значительной энергии в небольшомобъёме за короткий промежутоквремени, приводящий к ударным, вибрационным и тепловым воздействиям на окружающую среду и высокоскоростному расширению газов.

При химическом взрыве, кроме газов, могут образовываться и твёрдые высокодисперсные частицы,взвесь которых называютпродуктами взрыва. Энергию взрыва иногда измеряют втротиловом эквиваленте — мере энерговыделения высокоэнергетических событий, выраженной в количестветринитротолуола (ТНТ), выделяющем при взрыве равное количество энергии.

Энергия вакуума — энергия, равномерно распределённая в вакууме и, предположительно, вызывающая отталкивание между любыми материальными объектами во Вселенной с силой, прямо пропорциональной их массе и расстоянию между ними. Обладает крайне низкой плотностью.

Осмотическая энергия — работа, которую надо произвести, чтобы повысить концентрацию молекул или ионов в растворе.

Энергия является мерой способности физической системы совершитьработу. Например, изменение полной механической энергии тела численно равно величине механической работы, совершённой над телом. Поэтому количественно энергия и работа выражаются в одних единицах.

Согласноспециальной теории относительности между массой и энергией существует связь, выражаемая знаменитойформулойЭйнштейна:

${\displaystyle E=m{c}^2,}$

где${\displaystyle E}$ — энергия системы;

${\displaystyle m}$ — еёмасса;

${\displaystyle c}$ —скорость света в вакууме.

Несмотря на то, что исторически предпринимались попытки трактовать это выражение как полную эквивалентность понятия энергии и массы, что, в частности, привело к появлению такого понятия какрелятивистская масса, в современной физике принято сужать смысл этого уравнения, понимая под массой массу тела в состоянии покоя (так называемаямасса покоя), а под энергией — только внутреннюю энергию, заключённую в системе.

Энергия тела, согласно законам классической механики, зависит от системы отсчёта, то есть неодинакова для разных наблюдателей. Если тело движется со скоростью${\displaystyle v}$ относительно некоего наблюдателя, то для другого наблюдателя, движущегося с той же скоростью, оно будет казаться неподвижным. Соответственно, для первого наблюдателякинетическая энергия тела будет равна,${\displaystyle m{v}^2/2}$, где${\displaystyle m}$ — масса тела, а для другого наблюдателя —нулю.

Эта зависимость энергии от системы отсчёта сохраняется также в теории относительности. Для определения преобразований, происходящих с энергией при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой используется сложная математическая конструкция —тензор энергии-импульса.

Зависимость энергии тела от скорости рассматривается уже не так, как в ньютоновской физике, а согласно вышеназванной формуле Эйнштейна:

${\displaystyle E=\frac{m{c}^2}{\sqrt{1-v^2/c^2}},}$

где${\displaystyle m}$ —инвариантная масса. В системе отсчёта, связанной с телом, его скорость равна нулю, а энергия, которую называют энергией покоя, выражается формулой:

${\displaystyle E_0=m{c}^2.}$

Это минимальная энергия, которую может иметь тело, обладающее массой. Значение формулы Эйнштейна также в том, что до неё энергия определялась с точностью до произвольной постоянной, а формула Эйнштейна указывает абсолютное значение этой постоянной.

Специальная теория относительности рассматривает энергию как компоненту4-импульса (4-вектора энергии-импульса), в который наравне с энергией входят три пространственные компоненты импульса. Таким образом энергия и импульс оказываются связанными и оказывают взаимное влияние друг на друга при переходе из одной системы отсчёта в другую.

В квантовой механике энергия${\displaystyle E}$ свободной частицы связана с круговой частотой${\displaystyle \omega }$ соответствующейволны де Бройля соотношением${\displaystyle E=\hslash \omega }$, где${\displaystyle \hslash }$ —приведённая постоянная Планка^[7][8]. Это уравнение является математическим выражениемпринципа корпускулярно-волнового дуализма волн и частиц для случая энергии^[9]. Вквантовой механике энергия двойственнавремени. В частности, в силу фундаментальных причин принципиально невозможно измерить абсолютно точно энергию системы в каком-либо процессе, время протекания которого конечно. При проведении серии измерений одного и того же процесса значения измеренной энергии будут флуктуировать, однако среднее значение всегда определяется законом сохранения энергии. Это приводит к тому, что иногда говорят, что в квантовой механике сохраняется средняя энергия.

Вобщей теории относительностивремя не является однородным, поэтому возникают определённые проблемы при попытке введения понятия энергии. В частности, оказывается невозможным определить энергию гравитационного поля кактензор относительно общих преобразований координат.

Внутренняя энергия (или энергия хаотического движения молекул) является самым «деградированным» видом энергии — она не может превращаться в другие виды энергии без потерь (см.:энтропия).

Всистеме физических величин LMT энергия имеетразмерность${\displaystyle M{L}^2{T}^{-2}}$.

Условно источники энергии можно поделить на два типа:невозобновляемые ипостоянные. К первым относятся газ, нефть, уголь, уран и т. д. Технология получения и преобразования энергии из этих источников отработана, но, как правило, неэкологична, и многие из них истощаются. К постоянным источникам можно отнести энергию солнца, энергию, получаемую наГЭС и т. д.

Существует довольно много форм энергии, большинство из которых^[12] так или иначе используются вэнергетике и различных современныхтехнологиях.

Темпыэнергопотребления растут во всем мире, поэтому на современном этапе развития цивилизации наиболее актуальна проблемаэнергоэффективности иэнергосбережения.

• Добиаш А. А. Энергия // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). —СПб., 1890—1907.
• Паули В. Общие принципы волновой механики. —М.: Гостехтеориздат, 1947. — 332 с.
• Широков Ю. М.,Юдин Н. П. Ядерная физика. —М.: Наука, 1972. — 670 с.
• Пономарёв Л. И. Под знаком кванта. —М.: Наука, 1989. — 368 с. —ISBN 5-02-014049-X.
• Алексеев Г. Н. Энергия и энтропия. —М.: Знание, 1978. — 192 с.

• Энергия вФизической энциклопедии.

• Физические величины по алфавиту
• Энергия

• Статьи с ссылкой на БСЭ, без указания издания
• Страницы, использующие волшебные ссылки ISBN
• Статьи со ссылками на Викисловарь
• Википедия:Ссылка на Викитеку непосредственно в статье
• Статьи со ссылками на Викисклад
• Страницы с неизвестными параметрами шаблона Родственные проекты