能量(energy)简称“能”,质量的时空分布可能变化程度的度量,用来表示物理系统做功的本领。现代物理学已明确了质量与能量之间的数量关系,即爱因斯坦的质能关系式:$E=MC^2$。
能量的单位与功的单位相同,在国际单位制中是焦耳(J)。在营养学中除了用焦耳(J)作为能量单位以外,有时也用卡路里(cal)作为能量单位,1卡路里约等于4.184焦耳。在原子物理学、原子核物理学、粒子物理学等领域中也用电子伏特(eV)作为能量单位,1电子伏特=$1.602,18×10^{-19}$焦。在理论物理领域,也有用尔格(erg)作为能量单位的,1尔格=$10^{-7}$焦。
能量以多种不同的形式存在。按照物质的不同运动形式分类,能量可分为核能、机械能、化学能、内能(热能)、电能、辐射能、光能、生物能等。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。各种场也具有能量。
在营养学中,能量指的是食物中所含有的能被人体所吸收的化学能(生物质能),食物中的能量有时也可以称作热量,正常成年人每天消耗的能量约为8.4×106焦(8400千焦,NRV营养素参考值)。
能量是物质运动转换的量度,世界万物是不断运动的,在物质的一切属性中,运动是最基本的属性,其他属性都是运动的具体表现。能量是表征物理系统做功的本领的量度。
对应于物质的各种运动形式,能量也有各种不同的形式,它们可以通过一定的方式互相转换。在机械运动中表现为物体或体系整体的机械能,如动能、势能等。在热现象中表现为系统的内能,它是系统内各分子无规则运动的动能、分子间相互作用的势能、原子和原子核内的能量的总和,但不包括系统整体运动的机械能。对于热运动的内能(旧称热能),人们是通过它与机械能的相互转换而认识的(见热力学第一定律)。
空间属性是物质运动的广延性体现;时间属性是物质运动的持续性体现;引力属性是物质在运动过程由于质量分布不均所引起的相互作用的体现;电磁属性是带电粒子在运动和变化过程中的外部表现,等等。物质的运动形式多种多样,每一个具体的物质运动形式存在相应的能量形式。
宏观物体的机械运动对应的能量形式是动能;分子运动对应的能量形式是内能(热能);原子运动对应的能量形式是化学能;带电粒子的定向运动对应的能量形式是电能;光子(电磁场)运动对应的能量形式是光能(电磁波能),等等。除了这些,还有风能、潮汐能等。当运动形式相同时,物体的运动特性可以采用某些物理量或化学量来描述。物体的机械运动可以用速度、加速度、动量等物理量来描述;电流可以用电流强度、电压、功率等物理量来描述。但是,如果运动形式不相同,物质的运动特性唯一可以相互描述和比较的物理量就是能量,能量是一切运动着的物质的共同特性。
因此可以对能量作出定义: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。一个物体所含的总能量奠基于其总质量,能量同质量一样既不会凭空产生,也不会凭空消灭。能量和质量一样都是标量。在国际单位制(SI)中,能量的单位是焦耳,但有时使用其他单位如千瓦时和千卡,这些也是功的单位。能量是用以衡量所有物质运动规模的统一量度。
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