活力
| 活力 | |
|---|---|
| |
常見符號 |
E |
| SI單元 | 焦耳 |
其他單位 |
kw·h ， btu ，卡路里， ev ， erg ，腳 - 腳 |
| 在SI基礎單元中 | j = kg·m2潑-2 -2 |
| 廣泛的？ | 是的 |
| 保守？ | 是的 |
| 方面 | M L 2 T -2 |
在物理學中，能量（來自古希臘 ἐνέργεια （ Enérgeia ） “活動”）是轉移到身體或物理系統的定量特性，在工作的性能和熱和光的形式中都可以識別。能源是保守的數量-能源保護定律指出，能量可以形式轉化，但不能創建或破壞。國際單位系統（SI）中能源的測量單位是焦耳（J）。
通用的能量形式包括移動物體的動能，一個物體存儲的勢能（例如，由於其在田間的位置），存儲在固體物體中的彈性能，與化學反應相關的化學能，輻射電磁輻射和熱力學系統中包含的內部能量攜帶的能量。所有生物體都不斷吸收並釋放能量。
由於質量 - 能量等效性，任何具有固定質量（稱為靜止質量）的物體的物體也具有等效量的能量，其形式稱為REST Energy ，以及任何額外的能量（任何形式的）由上方的對象獲得的任何額外的能量隨著它增加總能量，將增加對象的總質量。
人類文明需要能源才能從化石燃料，核燃料或可再生能源等能源中獲得的能量。地球的氣候和生態系統過程是由行星從太陽中獲得的能量驅動的（儘管地熱能也造成了少量的貢獻）。
形式
系統的總能量可以細分並分類為勢能，動能或兩者的組合，以各種方式。動能取決於對象的運動或對象組成部分的複合運動-勢能反映了對象具有運動的潛力，並且通常是對像在野外或物體中的位置的函數可以存儲在現場本身。
儘管這兩個類別足以描述所有形式的能源，但通常將特定的潛力和動能組合稱為其自身形式通常很方便。例如，系統內的平移和旋轉動力學和勢能的總和稱為機械能，而核能則是指來自核力量或弱力的原子核內的組合電位，除其他示例外。
| 能量類型 | 描述 |
|---|---|
| 機械的 | 宏觀翻譯和旋轉動力學和勢能的總和 |
| 電的 | 由於電場中或存儲的勢能 |
| 磁的 | 勢能由於磁場而儲存或存儲 |
| 引力 | 勢能由於引力場而儲存 |
| 化學 | 化學鍵引起的勢能 |
| 電離 | 將電子與其原子或分子結合的勢能 |
| 核 | 結合核子形成原子核的勢能（和核反應） |
| 染色體動力學 | 結合夸克形成哈隆的勢能 |
| 鬆緊帶 | 由於材料（或其容器）的變形而引起的勢能，該材料恢復到原始形狀時表現出恢復力 |
| 機械波 | 由於物質的傳播振盪，彈性材料中的動能和勢能 |
| 聲波 | 由於聲音傳播波（一種特定類型的機械波），材料中的動力和勢能 |
| 輻射 | 勢能存儲在電磁輻射傳播的波場中，包括光 |
| 休息 | 由於物體的休息質量而引起的勢能 |
| 熱的 | 微觀運動的動能，一種機械能的無序等效物 |
歷史
能量詞來自古希臘語： ἐνέργεια ，羅馬化： energeia ，點燃。 “活動，操作”，這可能是公元前4世紀亞里士多德的工作中首次出現的。與現代定義相反，Energeia是一個定性的哲學概念，足夠廣泛，可以包括幸福和愉悅等思想。
在17世紀後期，戈特弗里德·萊布尼茲（Gottfried Leibniz）提出了拉丁語的想法： Vis Viva或Living Force，其定義為物體質量及其速度平方的產物；他認為Vis Viva的總保存。為了解釋由於摩擦而放緩的原因，萊布尼茲理論上，熱能由物質組成部分的動作組成，儘管這將超過一個世紀，直到普遍接受為止。該特性的現代類似物，動能，與Vis Viva的不同之處僅增加了兩倍。 ÉmilieduChâtelet在18世紀初的文章提出了節約能量保存的概念，她的法語譯本是牛頓主要的Mathematica的法語翻譯，它代表了一個與動量不同的可衡量量的表述，後來又將被稱為“能量”。
在1807年，托馬斯·楊（Thomas Young）可能是第一個使用“能量”而不是現代意義上的Vis Viva一詞的人。 Gustave-Gaspard Coriolis在現代意義上描述了1829年的“動能”，威廉·蘭金（William Rankine）創造了“勢能”一詞。能源保護定律也在19世紀初首次假定，並適用於任何孤立的系統。多年來，人們認為熱量是一種物質物質，被稱為熱量，還是僅是物理數量，例如動量。 1845年，詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule）發現了機械工作與熱量產生之間的聯繫。
這些發展導致了能源保護理論，主要由威廉·湯姆森（William Thomson）（凱爾文勳爵）正式形式化為熱力學領域。熱力學幫助魯道夫·克勞西烏斯（Rudolf Clausius） ，約西亞·威拉德·吉布斯（Josiah Willard Gibbs ）和沃爾特·內爾特（Walther Nernst）的化學過程解釋的快速發展。這也導致了克勞西烏斯（Clausius）對熵概念的數學表述，並引入了喬ef stefan的輻射能量定律。根據Noether的定理，能源的保護是物理定律不會隨著時間而變化的事實的結果。因此，自1918年以來，理論家已經理解，能量保護定律是數量共軛到能量的平移對稱性的直接數學後果，即時間。
度量單位
1843年，詹姆斯·普雷斯科特（James Prescott Joule）在一系列實驗中獨立發現了機械等效物。他們中最著名的使用“焦耳設備”：連接到弦上的下降重量，導致浸入水中的槳的旋轉，實際上是沒有傳熱的。它表明，重量在降序中損失的重力勢能等於通過用槳通過摩擦而獲得的內部能量。
在國際單位系統（SI）中，能源單位是焦耳，以焦耳的名字命名。這是一個派生單元。它等於在用一米的距離施加牛頓的力時消耗的能量（或完成）。但是，在許多其他單元中也表達了能量，而不是SI的一部分，例如ERG ，卡路里，英國熱單元，千瓦時和千瓦時，在以SI單位表示時，它們需要轉換因子。
SI的能量速率單位（每單位時間）是瓦特，這是每秒焦耳。因此，一個焦耳是一瓦秒，而3600焦耳則相等一個瓦。 CGS能源單位是ERG ，帝國和美國習慣單位是英尺磅。其他能源單元，例如電子伏特，食品卡路里或熱力學KCAL （基於加熱過程中水的溫度變化），而BTU則用於科學和商業的特定領域。
科學用途
古典力學
在經典力學中，能源在概念和數學上是有用的特性，因為它是保守的數量。使用能量作為核心概念，已經開發了幾種力學公式。
能量的功能是力時距離。
這說明（）等於沿路徑c的力f的線積分。有關詳細信息，請參見機械工作文章。工作，因此能量取決於框架。例如，考慮一個球被蝙蝠擊中。在質量中心參考框架中，蝙蝠在球上無效。但是，在揮舞蝙蝠的人的參考框架中，在球上進行了大量工作。
在威廉·羅恩·漢密爾頓（William Rowan Hamilton）之後，系統的總能量有時被稱為漢密爾頓人。經典的運動方程式可以用哈密頓量來編寫，即使對於高度複雜或抽象的系統也是如此。這些經典方程在非同性量子力學中具有非常直接的類似物。
在約瑟夫·路易斯·拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange）之後，另一個與能源有關的概念稱為拉格朗日。這種形式主義與哈密頓人一樣基本，都可以用來得出運動方程或從它們中得出。它是在古典力學的背景下發明的，但通常在現代物理學中有用。拉格朗日定義為動能減去勢能。通常，拉格朗日形式主義在數學上比非保守系統（例如摩擦系統）更方便。
Noether的定理（1918）指出，物理系統作用的任何可區分對稱性都具有相應的保護法。 Noether的定理已成為現代理論物理學和變化的演算的基本工具。在拉格朗日和哈密頓力學（分別為1788年和1833年）中，對運動常數的開創性製劑的概括不適用於不能用拉格朗日建模的系統；例如，具有連續對稱性的耗散系統不必具有相應的保護定律。
化學
在化學的背景下，能量是由於其原子，分子或骨料結構而導致的物質的屬性。由於化學轉化伴隨著一種或多種結構的變化，因此通常伴隨著涉及物質的總能量的減少，有時甚至增加。可以以熱或光的形式在周圍環境和反應物之間傳遞一些能量。因此，反應的產物有時比反應物具有更多但通常更少的能量。如果能量尺度上的最終狀態低於初始狀態，則據說反應是放熱或埃克斯的；在不常見的吸熱反應的情況下，情況是相反的。除非反應物克服稱為活化能的能量屏障，否則通常無法進行化學反應。化學反應的速度（在給定的溫度t下）與玻爾茲曼的種群因子E -e / kt的激活能E有關；也就是說，在給定溫度t ，分子具有大於或等於E的概率。反應速率對溫度的指數依賴性稱為Arrhenius方程。可以以熱能的形式提供化學反應所需的活化能。
生物學
在生物學中，能量是從生物圈到最小生物體的所有生物系統的一個屬性。在生物體中，它負責生物細胞或生物生物體的生長和發育。呼吸中使用的能量存儲在碳水化合物（包括糖），脂質和細胞儲存的蛋白質中。用人類的角度，人類等效（HE）（人類能量轉化）表明，對於給定的能量消耗，人類代謝所需的相對能量的相對量，使用作為標準的人類能量消耗為平均每天12,500 kJ和基礎代謝率為80瓦。例如，如果我們的身體平均運行80瓦，則以100瓦的燈泡運行的燈泡以1.25的人體等效（100÷80）運行，即1.25 HE。對於僅持續幾秒鐘的艱鉅任務，一個人就可以發出數千瓦，這是一種官方馬力的746瓦。對於持續幾分鐘的任務，適合的人可能會產生1,000瓦。對於必須持續一個小時的活動，輸出降至300左右；對於整天進行的活動，150瓦的活動大約是最大的。人類的同等學歷通過用人類表達能量單位來幫助對物理和生物系統中的能量流的理解：它為使用給定的能量提供了一種“感覺”。
當二氧化碳和水（兩種低能量化合物）轉化為碳水化合物，脂質，蛋白質和氧氣時，陽光的輻射能也被植物作為光合作用中的化學勢能捕獲。在光合作用過程中儲存的能量的釋放可能會突然是由森林大火中的火花突然觸發的，或者當有機分子被攝入並通過酶作用觸發分解代謝時，它可以使動物或人的代謝更慢。
所有生物都依靠外部能源來生長和繁殖 - 在綠色植物和化學能（某種形式）的情況下，來自太陽的輻射能量（以某種形式）。對於人類成年人推薦的每日1500-2000卡路里（6–8 MJ）被視為食品分子，主要是碳水化合物和脂肪，其中葡萄糖（C 6 H 12 O 6 ）和stearin （C 57 H 110 O 6 ）是方便的例子。食物分子被氧化為二氧化碳和線粒體中的水
碳水化合物或脂肪的其餘化學能轉化為熱量：ATP用作一種“能貨幣”，當ATP與OH組反應並最終使用時，它含有的某些化學能用於其他代謝分成ADP和磷酸鹽（在代謝途徑的每個階段，將一些化學能轉化為熱量）。僅將原始化學能的一小部分用於工作：
- 在100 m的比賽中獲得短跑運動員的動能：4 kJ
- 從2米舉起的150公斤重量的重力勢能增益：3 kJ
- 正常成人的每日食物攝入量：6-8 MJ
看來，生物在使用收到的能量（化學或輻射能量）方面顯著（從物理意義上）顯著效率低下。大多數機器管理較高的效率。在生長的生物體中，轉化為熱的能量具有至關重要的目的，因為它使生物組織在其建造的分子方面得到高度有序。熱力學的第二定律指出，能量（和物質）傾向於在整個宇宙中均勻散佈：要在一個特定的地方集中能量（或物質），有必要分散更多的能量（作為熱量）在宇宙的其餘部分（“周圍”）。與更複雜的生物相比，更簡單的生物可以實現更高的能量效率，但是複雜的生物可以佔據其簡單弟兄無法獲得的生態壁ni。一部分化學能在代謝途徑中在每個步驟中加熱的轉化是生態學中觀察到的生物質金字塔的物理原因。例如，僅以光合作用固定的估計124.7 pg/a的碳中的第一步：64.3 pg/a（52％）用於綠色植物的代謝，IE重新轉化為二氧化碳和熱量。
地球科學
在地質學，大陸漂移，山脈，火山和地震中是可以用地球內部能量轉化來解釋的現象，而氣象現象（如風，雨，冰雪，雪，雪，閃電，閃電，龍捲風和颶風都是）的結果是太陽能帶來的大氣中的能量轉化。
陽光是地球能源預算的主要輸入，其溫度和氣候穩定性。陽光可以作為引力勢能擊中地球後的重力勢能，例如（例如（例如）水從海洋中蒸發並沉積在山上（在這種水電大壩上釋放後，可以將其用於驅動渦輪機或發電機到達渦輪機或發電機。產生電力）。陽光還驅動大多數天氣現象，除了一些例外，例如火山事件產生的例外。太陽能介導的天氣事件的一個例子是颶風，這發生在幾個月內加熱的大型不穩定的溫暖海洋區域突然放棄了幾天的暴力空氣運動的動力時，就會發生。
在較慢的過程中，地球核心中原子的放射性衰減會釋放熱量。這種熱能驅動板塊構造，並可以通過造山學來抬高山脈。這種緩慢的提升代表了熱能的一種重力勢能存儲，後來可以在觸發事件後將其轉化為橫滑時的活動動能。地震還釋放了岩石中儲存的彈性勢能，該商店最終是由相同的放射性熱源生產的。因此，根據當前的理解，諸如滑坡和地震等熟悉的事件釋放了在地球重力場或岩石中彈性應變（機械勢能）中存儲的能量。在此之前，它們代表了自長期破壞的超新星恆星（創建這些原子）崩潰以來一直存儲在重原子中的能量的釋放。
宇宙學
在宇宙學和天文學中，恆星，新星，超新星，類星體和伽馬射線爆發的現像是宇宙物質的最高輸入能量轉換。所有恆星現象（包括太陽活動）均由各種能量轉化驅動。這種轉化中的能量要么來自物質的重力崩潰（通常是分子氫）到各種天文對象（恆星，黑洞等），要么來自核融合（較輕的元素，主要是氫）。陽光下氫的核融合還釋放了在大爆炸時產生的另一種勢能存儲。從理論上講，當時的空間擴大，宇宙冷卻過快，無法將氫完全融合到較重的元素中。這意味著氫代表可以通過融合釋放的勢能存儲。這種融合過程是由氫雲引力崩潰產生的熱量和壓力在產生恆星時引起的，然後將某些融合能轉化為陽光。
量子力學
在量子力學中，能量是根據能量操作員（哈密頓量）定義為波函數的時間導數的。 schrödinger方程將能量算子等同於粒子或系統的完整能量。它的結果可被視為量子力學中能量測量的定義。 Schrödinger方程描述了量子系統緩慢變化（非相關）波函數的空間和時間依賴性。該方程對結合系統的解決方案是離散的（一組允許的狀態，每個均以能量水平為特徵），這導致了量子的概念。在任何振盪器（振動器）和真空中電磁波的schrödinger方程溶液中，所得能量狀態與普朗克的關係與頻率有關：（ planck常數和頻率是其中）。在電磁波的情況下，這些能量狀態稱為光或光子的量子。
相對論
當計算動能（從零速度加速巨大的身體到某種有限速度）時 - 使用洛倫茲的變換代替牛頓力學- 愛因斯坦發現了這些計算的意外副產品，這些計算是一個不會在零時消失的能量術語速度。他稱其為休息的能量：每個龐大的身體即使在休息時都必須擁有的能量。能量的量與身體的質量成正比：
例如，考慮電子-正電子殲滅，其中這兩個單獨的顆粒的剩餘能量（相當於其剩餘質量）被轉換為過程中產生的光子的輻射能。在此系統中，物質和反物質（電子和正電子）被破壞並更改為非遺物（光子）。但是，在這種相互作用期間，總質量和總能量不會改變。每個光子都沒有靜止質量，但是輻射能的輻射能與兩個原始顆粒具有相同的慣性。這是一個可逆的過程 - 反向過程稱為對創建- 其餘粒子是由兩個（或更多）殲滅光子的輻射能產生的。
總體而言，應力 - 能量張量是引力場的源項，與質量用作非相關性牛頓近似的源項的方式相比。
能量和質量是系統的一個基本物理特性的表現。該特性負責系統的引力相互作用的慣性和強度（“質量表現”），並且還負責系統執行工作或加熱的潛在能力（“能量表現”），但要受到限制的限制。其他物理定律。
在古典物理學中，能量是標量數量，即時間到時間的規範。在特殊的相對論中，能量也是標量（儘管不是洛倫茲標量，而是能量– Momentum 4-vector的時間成分）。換句話說，對於空間的旋轉，能量是不變的，但相對於時空的旋轉（= Boost ）並不不變。
轉型
| 轉移過程類型 | 描述 |
|---|---|
| 熱 | 自發向低溫物體自發過境中的熱能量相等 |
| 工作 | 由於施加力的方向位移而導致的運輸中相等的能量 |
| 材料的轉移 | 從一個系統轉移到另一個系統的物質攜帶的相等數量 |
在各種效率下，能量可以在不同形式之間轉化。這些形式之間轉換的項目稱為換能器。換能器的示例包括電池（從化學能到電能），大壩（從重力勢能到移動水的動能（以及渦輪機的葉片），最終通過發電機到電能），以及熱量發動機（從熱到工作） 。
能量轉化的示例包括通過蒸汽輪機從熱能發電，或使用驅動起重機電機的電能來抬起重力。反對重力的抬起在物體上進行機械工作，並將重力勢能存儲在物體中。如果物體落在地面上，重力將在物體上進行機械工作，從而將重力場中的勢能轉化為隨著地面衝擊而釋放的動能。太陽將核能能量轉化為其他形式的能源。其總質量由於本身而不會減小（因為它仍然包含相同的總能量，即使以不同的形式也包含相同的總能量），但是當能量逸出到周圍環境時，其質量確實會減少，這在很大程度上是輻射能量。
正如卡諾定理和熱力學的第二定律所描述的那樣，如何在循環過程中有效地轉化為循環過程中的工作有嚴格的限制。但是，某些能量轉化可能非常有效。能量轉化的方向（哪種能量轉化為其他類型）通常是由熵（在所有可用的自由度之間擴散）確定的。實際上，所有能量轉換都允許在小規模上進行，但是不允許進行某些較大的轉換，因為從統計學上講，能量或物質不太可能將其隨機移入更集中的形式或較小的空間。
隨著時間的流逝，宇宙的能量轉化的特徵是各種勢能，自從大爆炸以來就可以使用，即“釋放”（轉換為更活躍的能量，例如動力學或輻射能量）。 。此類過程的熟悉示例包括核合成，這是一個最終使用從超新星重力崩潰中釋放的重力勢能在產生重量同位素（例如鈾和or ）的“儲存”能量的過程，以及核衰減，這是一個過程，這是一個過程。釋放的能量最初存儲在這些繁重的元素中，然後將它們納入太陽系和地球。這種能量是在核裂變炸彈或民用核電發電中觸發和釋放的。同樣，在化學爆炸的情況下，化學勢能在很短的時間內轉化為動能和熱能。
另一個例子是擺的。在其最高點，動能為零，重力勢能最大。在最低點，動能為最大，等於勢能的減少。如果一個（不切實際的）假設沒有摩擦或其他損失，那麼這些過程之間的能量轉換將是完美的，並且擺鐘將永遠繼續下去。
能量也從勢能（）轉移到動能（），然後不斷轉移到勢能。這被稱為能量保護。在這個孤立的系統中，不能創造或破壞能量。因此，初始能量和最終能量將彼此相等。這可以通過以下內容來證明：
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() |
因此，可以進一步簡化方程（由於重力乘以高度引起的質量時間加速度）和（半質量速度速度平方）。然後可以通過添加來找到總能量。
轉化中的能量和質量保護
當將其捕獲到具有零動量的系統中時，能量會產生重量。它也等同於質量，並且這種質量始終與之相關。質量也等同於一定量的能量，並且同樣總是與質量相關，如質量 - 能量等效性所述。由Albert Einstein （1905）得出的公式E = MC²量化了相對論概念中相對論質量與能量之間的關係。在不同的理論框架中， JJ Thomson （1881）， HenriPoincaré （1900）， FriedrichHasenöhrl （1904）等（有關更多信息，請參見Mass -Energy等價＃歷史記錄）。
物質的部分能量（相當於靜止的質量）可以轉換為其他形式的能量（仍然表現出質量），但不能破壞能量和質量。相反，兩者在任何過程中保持恆定。但是，由於相對於普通的人類量表非常大，因此每天的休息質量（例如1千克）從靜止能量到其他形式的能量（例如動能，熱能或攜帶的輻射能量）如在核反應堆和核武器中可以看出的那樣，通過光線和其他輻射）可以解放大量的能量（〜Joules = 21兆噸的TNT）。相反，相當於日常量的質量能量很小，這就是為什麼大多數係統失去能量（質量損失）的原因，除非能量損失很大，否則很難在稱重尺度上測量。在核物理學和粒子物理學中發現了靜息能（物質）和其他形式的能量（例如，動能到具有靜止質量的顆粒）之間的大型轉化的實例。但是，通常，保護法律禁止物質（例如原子）到非物質（例如光子）的完全轉化。
可逆和非可逆轉換
熱力學將能量轉化分為兩種：可逆過程和不可逆的過程。不可逆轉的過程是將能量消散（擴散）成量中可用的空能狀態的過程，該過程無法從中恢復為更集中的形式（較少的量子狀態），而不會降解更多的能量。可逆的過程是這種耗散不會發生的過程。例如，如上所述的擺系統中，能量從一種類型的電位轉換為另一種電位是可逆的。在產生熱量的過程中，較低的能量狀態，在原子之間的田間可能會激發，作為一部分能量的儲層，無法從中回收，以便以100％的效率將其轉換為其他能量能量形式。在這種情況下，能量必須部分保持為熱能，並且不能完全恢復為可用能量，除非以其他類型的量子量的增加，量子狀態中的疾病中的疾病會增加（例如物質的擴展或晶體中的隨機化。
隨著宇宙隨著時間的流逝的發展，其越來越多的能量被困在不可逆的狀態（即，作為熱量或其他種類的疾病增加）。這導致了宇宙不可避免的熱力熱死亡的假設。在這種熱量死亡中，宇宙的能量不會改變，但是可以通過熱發動機進行工作的能量的比例，或者可以轉變為其他可用形式的能量（通過使用與熱發動機相關的發電機），繼續減少。
能源保護
不能創造或破壞能量的事實稱為能源保護定律。以熱力學的第一定律的形式，這表明封閉的系統的能量是恆定的，除非能量以工作或熱量為輸入或輸出，並且在傳遞中不會損失能量。能源流入系統的總流入必須等於系統中能量的總流出，以及系統中包含的能量的變化。每當測量（或計算）相互作用不依賴時間的粒子系統的總能量（或計算）時，發現系統的總能量始終保持恆定。
雖然在理想氣體的可逆等溫膨脹中，熱量始終可以完全轉化為工作，但對於熱發動機的實際興趣的循環過程，熱力學的第二定律表明，從事工作的系統總是會損失一些能量作為廢熱。這會限制在循環過程中可以工作的熱能量，這是一種稱為可用能量的極限。機械和其他形式的能量可以沿另一個方向轉化為熱能，而不會受到這種限制。系統的總能量可以通過添加系統中的所有能量來計算。
理查德·費曼（Richard Feynman）在1961年的一次演講中說：
有一個事實，或者，如果您願意，一項法律，即迄今已知的所有自然現象。該法律沒有已知的例外 - 據我們所知，這是確切的。該法律稱為節能。它指出，我們稱之為能量的一定數量不會改變自然經歷的多種變化。這是一個最抽象的想法，因為它是數學原理。它說有一個數字數量在發生某些事情時不會改變。它不是對機製或任何具體機制的描述；我們可以計算一些數字是一個奇怪的事實，當我們完成觀看自然的技巧並再次計算數字時，這是相同的。
大多數類型的能量（重力能量是一個明顯的例外）也受到嚴格的地方保護法。在這種情況下，只能在相鄰空間區域之間交換能量，所有觀察者都同意任何給定空間中能量的容量密度。還有一個全球能源保護法則，指出宇宙的總能量不會改變。這是當地法律的推論，反之亦然。
該法律是物理學的基本原則。如Noether定理嚴格所示，能量的保護是時間的翻譯對稱性的數學後果，這是宇宙量表以下大多數現象的特性，使它們在時間坐標上獨立於位置。昨天，今天和明天在身體上都無法區分。這是因為能量是隨時間到來的規範結合的數量。能量和時間的數學糾纏也導致了不確定性原理 - 在任何確定的時間間隔內都無法定義確切的能量（儘管這實際上僅在很短的時間間隔內才有意義）。不確定性原理不應與節能混淆，而是提供了數學限制，可以原則上定義和測量能量。
自然的每種基本力都與不同類型的勢能相關，並且每當存在時，所有類型的勢能（如所有其他類型的能量）都是系統質量。例如，壓縮的彈簧將比壓縮之前稍大一些。同樣，每當能量通過任何機制之間傳遞到系統之間，相關質量就會隨之傳輸。
在量子力學中，使用哈密頓操作員表達。在任何時間尺度上，能量的不確定性是
它的形式與海森堡的不確定性原理相似（但在數學上並不是在數學上與之相似，因為H和T不是動態的共軛變量，在經典中也不是量子力學的變量）。
在粒子物理學中，這種不平等允許對具有動力的虛擬顆粒有定性的理解。虛擬顆粒與真實粒子的交換是為了產生所有已知的基本力（更準確地稱為基本相互作用）。虛擬光子還負責電荷之間的靜電相互作用（這導致了庫侖定律），對於激發原子和核態的自發輻射衰減，對於卡西米爾力，對於范德華力和其他一些可觀察到的現象。
能量轉移
封閉的系統
可以考慮到對物質轉移封閉的系統的特殊情況。保守力量在距離上轉移的能量的一部分與源系統在接收系統上所做的工作一樣測量。在轉移期間不起作用的能量部分稱為熱。能量可以以多種方式在系統之間傳輸。示例包括通過光子傳輸電磁能，傳遞動能的物理碰撞，潮汐相互作用以及熱能的導電傳遞。
能量是嚴格保守的，並且在可以定義的任何地方也是局部保守的。在熱力學中，對於封閉系統，第一定律描述了能量傳遞的過程：
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()
轉移的能量量在哪裡代表系統上或通過系統完成的工作，並代表熱流進入或流出系統。簡而言之，有時可以忽略熱項，尤其是對於涉及氣體的快速過程，較差的熱量導體，或者當轉移的熱效率高時。對於這種絕熱過程，
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()
例如，這個簡化的方程是定義焦耳的一個方程式。
開放系統
除了封閉系統的限制之外，開放系統還可以與物質轉移相關聯（通過將空氣燃料混合物注入到汽車發動機中，該過程就可以說明這一過程，該系統在不增加任何一項工作的情況下會獲得能量或熱量）。表示這種能量，可以寫
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()
熱力學
內能
內部能量是系統的所有顯微鏡形式的總和。這是創建系統所需的能量。它與動能的形式有關勢能，例如分子結構，晶體結構和其他幾何方面以及顆粒的運動。熱力學主要與內部能量的變化，而不是其絕對值的變化有關，這是不可能僅使用熱力學確定的。
熱力學第一法
熱力學的第一定律斷言，系統及其周圍環境的總能量（但不一定是熱力學自由能）始終是保守的，並且熱流是一種能量傳遞的形式。對於具有明確定義的溫度和壓力的同質系統，第一定律的常用推論是，對於僅受壓力和傳熱的系統（例如，一個圓柱體充滿的氣體），沒有化學變化，系統內部能量的差異變化（具有正數表示的能量的增益）稱為
- ,
右邊的第一個術語是將熱傳遞到系統中，以溫度t和熵s表示（其中熵增加，其變化d s當加熱到系統時為正），最後一個術語在右側被確定為在系統上完成的工作，其中壓力為P和V卷V （由於系統的壓縮需要進行工作，因此符號結果是在其上進行的，因此當工作的捲更改為負面時，則為負數。在系統上完成）。
該方程式是高度特異性的，忽略了所有化學，電氣，核和引力力，例如除熱和PV工作以外的任何形式的能量的影響。即使在系統不是同質的情況下，第一定律的一般表述（即能源保存）也是有效的。對於這些情況，封閉系統的內部能量的變化以一般形式表達
將熱量提供給系統的位置，並且是應用於系統的工作。
能量的設備
機械諧波振盪器（彈簧上的質量）的能量交替是動能和勢能。在振盪週期中的兩個點上，它完全是動力學的，在兩個點上，它是完全潛力的。在整個週期或許多周期中，平均能量在動力學和電勢之間平均分配。這是平選原理的一個例子：平均而言，在所有可用的自由度之間，具有多個自由度的系統的總能量平均分配。
該原理對於理解與能量密切相關的數量的行為至關重要，稱為熵。熵是系統之間各部分之間能量分佈的均衡度。當隔離系統獲得更多的自由度（即給出與現有狀態相同的新的能源狀態）時，總能量在所有可用的學位上均勻地傳播，而沒有區別“新”和“舊”學位。該數學結果是熱力學第二定律的一部分。熱力學的第二定律僅適用於附近或處於物理平衡狀態的系統。對於非平衡系統，控制系統行為的法律仍然值得商bat。這些系統的指導原則之一是最大熵產生的原理。它指出，非平衡系統的行為以最大化其熵產生的方式。