ენერგია

ენერგია () — კონკრეტული ფიზიკური თვისება, რომელიც გადაეცემა სხეულს ან სისტემას და ვლინდება მუშაობაში, ასევე სითბოსა და სინათლის სახით. ენერგია არის შენახვადი სიდიდე — ენერგიის შენახვის კანონი გვაუწყებს, რომ ენერგია შეიძლება გარდაიქმნას სხვადასხვა ფორმაში, მაგრამ ვერ შეიქმნება ან განადგურდება. ერთეულთა საერთაშორისო სისტემაში (SI) ენერგიის საზომი ერთეული არის ჯოული (J).

ენერგიის ფორმები მოიცავს კინეტიკურ ენერგიას მოძრავი ობიექტის შემთხვევაში, პოტენციურ ენერგიას, რომელიც გროვდება ობიექტში (მაგალითად, ველში მდებარეობის გამო), ელასტიკურ ენერგიას, რომელიც გროვდება მყარ სხეულში, ქიმიურ ენერგიას, რომელიც დაკავშირებულია ქიმიურ რეაქციებთან, რადიაციულ ენერგიას, რომელსაც ელექტრომაგნიტური გამოსხივება ატარებს, შინაგან ენერგიას, რომელსაც შეიცავს თერმოდინამიკური სისტემა და დასვენების ენერგიას, რომელიც უკავშირდება ობიექტის უძრაობის მასას. ეს ფორმები ურთიერთგამომრიცხავი არ არის.

ყველა ცოცხალი ორგანიზმი მუდმივად იღებს და გამოყოფს ენერგიას. დედამიწის კლიმატი და ეკოსისტემის პროცესები ძირითადად მზის რადიაციული ენერგიით იმართება. ენერგეტიკული ინდუსტრია უზრუნველყოფს ენერგიას, რომელიც აუცილებელია ადამიანთა ცივილიზაციის ფუნქციონირებისთვის და იგი მიიღება ენერგიის წყაროებიდან, როგორებიცაა ნამარხი წიაღისეული, ბირთვული საწვავი და განახლებადი ენერგია.
 ფორმები 

სისტემის საერთო ენერგია შეიძლება დაიყოს და კლასიფიცირდეს პოტენციურ ენერგიად, კინეტიკურ ენერგიად ან მათი სხვადასხვა კომბინაციად. კინეტიკური ენერგია განისაზღვრება ობიექტის მოძრაობით ან მისი შემადგენელი ნაწილების კომპოზიციური მოძრაობით, მაშინ როდესაც პოტენციური ენერგია ასახავს ობიექტის მოძრაობის შესაძლებლობას, რაც, როგორც წესი, დამოკიდებულია ობიექტის მდებარეობაზე ველში ან ველში შენახულ ენერგიაზე.

მიუხედავად იმისა, რომ ეს ორი კატეგორია საკმარისია ენერგიის ყველა ფორმის აღსაწერად, ხშირად მოსახერხებელია კონკრეტული პოტენციური და კინეტიკური ენერგიის კომბინაციების ცალკე ფორმად განხილვა. მაგალითად, ტრანსლაციური და როტაციული კინეტიკური და პოტენციური ენერგიის ჯამი სისტემაში განიხილება, როგორც მექანიკური ენერგია, მაშინ როდესაც ბირთვული ენერგია ასახავს ატომური ბირთვის პოტენციალს ბირთვული ძალისა ან სუსტი ურთიერთქმედების საფუძველზე.

+ენერგიის ზოგიერთი ფორმა (რომელსაც ობიექტი ან სისტემა შეიძლება ფლობდეს, როგორც გაზომვადი თვისება)ენერგიის ტიპიაღწერამექანიკურიმაკროსკოპული ტრანსლაციური, როტაციული კინეტიკური და პოტენციური ენერგიის ჯამიელექტრულიპოტენციური ენერგია, რომელიც დაკავშირებულია ელექტრულ ველებთან ან მათშია შენახულიმაგნიტურიპოტენციური ენერგია, რომელიც დაკავშირებულია მაგნიტურ ველებთან ან მათშია შენახულიგრავიტაციულიპოტენციური ენერგია, რომელიც დაკავშირებულია გრავიტაციულ ველებთან ან მათშია შენახულიქიმიურიპოტენციური ენერგია, რომელიც დაკავშირებულია ქიმიურ ბმებთანიონიზაციისპოტენციური ენერგია, რომელიც ბოჭავს ელექტრონს მის ატომთან ან მოლეკულასთანბირთვულიპოტენციური ენერგია, რომელიც ბოჭავს ნუკლონებს, რათა შეიქმნას ატომის ბირთვი (და ბირთვული რეაქციები)ქრომოდინამიკურიპოტენციური ენერგია, რომელიც ბოჭავს კვარკებს, რათა ჩამოყალიბდეს ჰადრონებიელასტიკურიპოტენციური ენერგია, რომელიც წარმოიქმნება მასალის (ან მისი კონტეინერის) დეფორმაციისას და აღდგენის ძალით უბრუნდება პირვანდელ ფორმასმექანიკური ტალღაკინეტიკური და პოტენციური ენერგია ელასტიკურ მასალაში, რომელიც გამოწვეულია რხევის გავრცელებითბგერითი ტალღაკინეტიკური და პოტენციური ენერგია მასალაში, რომელიც გამოწვეულია ბგერის გავრცელებული ტალღით (მექანიკური ტალღის სპეციფიკური სახე)რადიაციულიპოტენციური ენერგია, რომელიც ინახება ელექტრომაგნიტური გამოსხივების ველებში, მათ შორის სინათლედასვენებისპოტენციური ენერგია, რომელიც დამოკიდებულია ობიექტის უძრაობის მასაზეთერმული კინეტიკური ენერგია მიკროსკოპული  ნაწილაკების მოძრაობის შედეგად, მექანიკური ენერგიის უწესრიგო ეკვივალენტი
 ისტორია    

ტერმინი ენერგია მომდინარეობს სიტყვიდან , რომელიც, სავარაუდოდ, პირველად არისტოტელეს ნაშრომებში გამოჩნდა ძვ. წ. IV საუკუნეში. თანამედროვე განმარტებისგან განსხვავებით, ენერგეია ფილოსოფიური ცნება იყო, რომელიც ისეთ იდეებს მოიცავდა, როგორებიცაა ბედნიერება და სიამოვნება.  

XVII საუკუნის ბოლოს გოტფრიდ ლაიბნიცის მიერ შემოთავაზებული იყო , ანუ „ცოცხალი ძალა“, რომელიც განსაზღვრავდა ობიექტის მასისა და მისი სიჩქარის კვადრატის ნამრავლს; ის თვლიდა, რომ მთლიანი vis viva მუდმივია. ხახუნით გამოწვეული შენელების ასახსნელად, ლაიბნიცმა ივარაუდა, რომ თერმული ენერგია მატერიის შემადგენელი ნაწილაკების მოძრაობისგან შედგება, თუმცა ამის საყოველთაო აღიარებას ას წელზე მეტი დასჭირდა. ამ თვისების თანამედროვე ეკვივალენტი, კინეტიკური ენერგია, მხოლოდ ორი ფაქტორით განსხვავდება vis viva-სგან. XVIII საუკუნის დასაწყისში ემილი დიუ შატლემ ენერგიის მუდმივობის კანონი (conservation of energy) პირველად ჩამოაყალიბა ნიუტონის Principia Mathematica-ს ფრანგული თარგმანის მარგინალიებში, რაც წარმოადგენდა კონსერვირებადი გაზომვადი სიდიდის პირველ ფორმულირებას, რომელიც იმპულსისგან განსხვავდებოდა და რომელსაც მოგვიანებით „ენერგია“ ეწოდა.  

1807 წელს, თომას იანგი სავარაუდოდ პირველი იყო, ვინც ტერმინი „ენერგია“ თანამედროვე მნიშვნელობით გამოიყენა vis viva-ს ნაცვლად. გუსტავ-გასპარ კორიოლისმა 1829 წელს აღწერა „კინეტიკური ენერგია“ თანამედროვე გაგებით, ხოლო 1853 წელს უილიამ ჯონ მაკუორნ რენკინმა შემოიღო ტერმინი „პოტენციური ენერგია“. ენერგიის მუდმივობის კანონი XIX საუკუნის დასაწყისში პირველად იქნა წარმოდგენილი და ვრცელდება ნებისმიერ იზოლირებულ სისტემაზე. მრავალი წლის განმავლობაში კამათის საგანი იყო, იყო თუ არა სითბო ფიზიკური სუბსტანცია, რომელსაც „კალორიკი“ ეწოდებოდა, თუ უბრალოდ ფიზიკური სიდიდე, როგორიცაა იმპულსი. 1845 წელს ჯეიმზ პრესკოტ ჯოულმა აღმოაჩინა კავშირი მექანიკურ მუშაობასა და სითბოს წარმოქმნას შორის.  

ამ მოვლენებმა მეცნიერება ენერგიის მუდმივობის თეორიის ჩამოყალიბებამდე მიიყვანა, რომელსაც ძირითადად ლორდ კელვინი თერმოდინამიკის სახით ავითარებდა. თერმოდინამიკამ დიდი გავლენა იქონია ქიმიური პროცესების ახსნაზე, რასაც ხელი შეუწყო რუდოლფ კლაუზიუსმა, ჯოზაია უილარდ გიბსმა და ვალთერ ნერნსტმა. ამავე დროს, კლაუზიუსმა შექმნა ენტროპიის მათემატიკური ფორმულირება, ხოლო იოჟეფ შტეფანიმ შეიმუშავა გამოსხივების ენერგიის კანონები. ნეთერის თეორემის მიხედვით, ენერგიის მუდმივობის კანონი წარმოიშვება იმ ფაქტიდან, რომ ფიზიკის კანონები დროის განმავლობაში არ იცვლება. შესაბამისად, 1918 წლიდან მოყოლებული, თეორეტიკოსებმა დაადგინეს, რომ ენერგიის მუდმივობის კანონი არის პირდაპირი მათემატიკური შედეგი ენერგიის კონიუგირებულ ცვლადთან დაკავშირებული ტრანსლაციური სიმეტრიის.
 საზომი ერთეულები   

ერთეულთა საერთაშორისო სისტემაში (SI), ენერგიის ერთეულია ჯოული. ეს არის წარმოებული ერთეული, რომელიც ტოლია იმ ენერგიის, რაც იხარჯება, ან იმ მუშაობის, რაც სრულდება ერთი ნიუტონის ძალის ერთი მეტრის მანძილზე გადატანისას. თუმცა, ენერგია შეიძლება გამოიხატოს სხვა ერთეულებითაც, რომლებიც SI-ის ნაწილი არ არის, როგორიცაა ერგი, კალორია, ბრიტანული თერმული ერთეული, კილოვატ-საათი და კილოკალორია. მათი SI ერთეულებში გადაყვანა კონვერსიის კოეფიციენტს საჭიროებს.  

სიმძლავრის SI ერთეული, რომელიც განისაზღვრება როგორც ენერგია ერთეულ დროში, არის ვატი, რომელიც ტოლია ერთ ჯოულისა წამში. შესაბამისად, ერთი ჯოული არის ერთი ვატ-წამი, ხოლო 3600 ჯოული ტოლია ერთი ვატ-საათის. სანტიმეტრი-გრამი-წამი ერთეულთა სისტემაში (CGS) ენერგიის ერთეულია ერგი, ხოლო იმპერიულ და აშშ-ის საზომ სისტემებში ეს არის ფუტ-ფუნტი. ენერგიის სხვა ერთეულები, როგორიცაა ელექტრონვოლტი, კვების კალორია ან თერმოდინამიკური კილოკალორია (რომელიც ემყარება წყლის ტემპერატურული ცვლილებას გათბობის პროცესში) და ბრიტანული თერმული ერთეული (BTU), გამოიყენება მეცნიერებისა და ვაჭრობის სპეციფიკურ დარგებში.  

1843 წელს, ინგლისელმა ფიზიკოსმა ჯეიმს ჯოულმა, რომლის სახელსაც ატარებს საზომი ერთეული, აღმოაჩინა, რომ სიმძიმით გამოწვეული პოტენციური ენერგიის დანაკარგი, რომელიც თოკზე მიმაგრებული ტვირთის დაღმასვლის შედეგად მიიღებოდა, ტოლი იყო იმ შიდა ენერგიის, რომელსაც წყალი იძენდა ხახუნის მეშვეობით ფრთოსანასთან შეხებისას.

 მეცნიერული გამოყენება   

 კლასიკური მექანიკა 
კლასიკურ მექანიკაში ენერგია კონცეპტუალურად და მათემატიკურად სასარგებლო თვისებაა, რადგან ის შენახვად სიდიდეს წარმოადგენს. არსებობს მექანიკის რამდენიმე ფორმულა, სადაც ენერგია ძირითად კონცეფციად გამოიყენება.

მუშაობა, რომელიც ენერგიის ფუნქციაა, არის ძალისა და მანძილის ნამრავლი.


ეს ფორმულა აღნიშნავს, რომ მუშაობა () ტოლია F ძალის წირითი ინტეგრალისა C გზის გასწვრივ; დეტალებისთვის იხილეთ სტატია მუშაობა. მუშაობა და, შესაბამისად, ენერგია დამოკიდებულია ათვლის (რეფერენტულ) სისტემაზე. მაგალითად, განვიხილოთ ბურთი, რომელსაც ბიტით ურტყამენ. ცენტრის მასის საკოორდინატო სისტემაში ბიტი არ ასრულებს მუშაობას ბურთზე. თუმცა, ბიტის ქნევის სისტემაში ბურთზე მნიშვნელოვანი მუშაობა სრულდება.

სისტემის სრული ენერგია ზოგჯერ ჰამილტონიანად იწოდება, უილიამ როუან ჰამილტონის პატივსაცემად. კლასიკური მოძრაობის განტოლებები შეიძლება ჩაიწეროს ჰამილტონური განტოლებების მეშვეობითაც, თუნდაც ძალიან რთული ან აბსტრაქტული სისტემებისთვის. ამ კლასიკურ განტოლებებს აქვთ პირდაპირი ანალოგები არარელატივისტურ კვანტურ მექანიკაში.The Hamiltonian MIT OpenCourseWare website 18.013A Chapter 16.3 Accessed February 2007

ენერგიასთან დაკავშირებული კიდევ ერთი კონცეფცია არის ლაგრანჟის მექანიკა, რომელიც ჟოზეფ ლუი ლაგრანჟის სახელს ატარებს. ეს ფორმალიზმი ისეთივე ფუნდამენტურია, როგორც ჰამილტონიანი და ორივე მათგანი შეიძლება გამოყენებულ იქნას მოძრაობის განტოლებების მისაღებად ან პირიქით. კონცეფცია შეიქმნა კლასიკური მექანიკის კონტექსტში, მაგრამ თანამედროვე ფიზიკაშიც ფართოდ გამოიყენება. ლაგრანჟის კონცეფცია განისაზღვრება, როგორც კინეტიკური ენერგია მინუს პოტენციური ენერგია. როგორც წესი, არაკონსერვატიული სისტემებისთვის (მაგალითად, ხახუნის მქონე სისტემებისთვის) ლაგრანჟის ფორმალიზმი მათემატიკურად უფრო მოსახერხებელია, ვიდრე ჰამილტონისა.

ნეთერის თეორემა (1918) აცხადებს, რომ ფიზიკური სისტემის ქმედების ნებისმიერ დიფერენცირებად სიმეტრიას შესაბამისი კონსერვაციის კანონი გააჩნია. ნეთერის თეორემა თანამედროვე თეორიული ფიზიკისა და ვარიაციული აღრიცხვის ფუნდამენტურ ინსტრუმენტად იქცა. ის წარმოადგენს განზოგადებას მოძრაობის მუდმივების სემინალურ ფორმულირებაზე ლაგრანჟისა და ჰამილტონის მექანიკაში (1788 და 1833 წწ., შესაბამისად), მაგრამ არ ვრცელდება სისტემებზე, რომლებიც ვერ აღიწერებიან ლაგრანჟის მექანიკით; მაგალითად, დისიპაციურ სისტემებს უწყვეტი სიმეტრიებით შესაძლოა არ გააჩნდეთ შესაბამისი კონსერვაციის კანონი.

 ქიმია 
ქიმიის კონტექსტში, ენერგია არის ნივთიერების თვისება, რომელიც მისი ატომური, მოლეკულური ან აგრეგატული სტრუქტურის შედეგია. რადგან ქიმიურ გარდაქმნას თან ახლავს ამ სტრუქტურებიდან ერთ-ერთის ან მეტის ცვლილება, მას ჩვეულებრივ თან ახლავს ნივთიერებების საერთო ენერგიის კლების პროცესი, ზოგჯერ კი ზრდაც. გარკვეული რაოდენობის ენერგია შეიძლება გადაეცეს გარემოსა და რეაქტანტებს სითბოს ან სინათლის სახით; შესაბამისად, რეაქციის პროდუქტებს ზოგჯერ უფრო მეტი, მაგრამ უმეტესად ნაკლები ენერგია აქვთ, ვიდრე რეაქტანტებს. რეაქცია ეგზოთერმულად ან ეგზერგონულად ითვლება, თუ მისი საბოლოო მდგომარეობა ენერგიის შკალაზე უფრო დაბალია, ვიდრე საწყისი მდგომარეობა; ნაკლებად გავრცელებულ ენდოთერმულ რეაქციებში კი ეს სიტუაცია საპირისპიროა.

ქიმიური რეაქციები, ჩვეულებრივ, შეუძლებელია, თუ რეაქტანტები არ გადალახავენ ენერგეტიკულ ბარიერს, რომელიც ცნობილია როგორც აქტივაციის ენერგია. ქიმიური რეაქციის სიჩქარე (მოცემულ ტემპერატურაზე T) დაკავშირებულია აქტივაციის ენერგიასთან E ბოლცმანის პოპულაციური ფაქტორით e−E/kT; ანუ ეს არის იმის ალბათობა, რომ მოლეკულა მოცემულ ტემპერატურაზე T ფლობდეს ენერგიას, რომელიც უდრის ან აღემატება E-ს. რეაქციის სიჩქარის ამ ექსპონენციალურ დამოკიდებულებას ტემპერატურაზე ეწოდება არენიუსის განტოლება. ქიმიური რეაქციისთვის საჭირო აქტივაციის ენერგია შეიძლება მიწოდებულ იქნას თერმული ენერგიის სახით.

 ბიოლოგია 
ბიოლოგიაში, ენერგია არის ყველა ბიოლოგიური სისტემის მახასიათებელი, ბიოსფეროდან დაწყებული ყველაზე პატარა ცოცხალი ორგანიზმით დამთავრებული. ორგანიზმის ფარგლებში ის პასუხისმგებელია ბიოლოგიური უჯრედის ან ბიოლოგიური ორგანიზმის ორგანოიდის ზრდასა და განვითარებაზე. სუნთქვისას გამოყენებული ენერგია ინახება ისეთ ნივთიერებებში, როგორებიცაა ნახშირწყლები (შაქრების ჩათვლით), ლიპიდები და ცილები, რომლებიც უჯრედებში ინახება. რაც შეეხება ადამიანს, ადამიანური ეკვივალენტი (H-e) (ადამიანური ენერგიის გარდაქმნა) აღნიშნავს ენერგიის ხარჯვის მოცემულ რაოდენობასთან მიმართებაში საჭირო ენერგიის რაოდენობას, სადაც სტანდარტად აღებულია საშუალო ადამიანის ენერგიის ხარჯვა 6,900 კჯ დღეში და ძირითადი მეტაბოლური მაჩვენებელი 80 ვატი.

მაგალითად, თუ ჩვენი სხეული საშუალოდ 80 ვატზე მუშაობს, მაშინ 100-ვატიანი ნათურა 1.25 ადამიანური ეკვივალენტით (100 ÷ 80), ანუ 1.25 H-e-ზე მუშაობს. მხოლოდ რამდენიმე წამით რთული ამოცანის შესრულებისას, ადამიანი შეიძლება გამოჰყოფდეს ათასობით ვატ ენერგიას, რაც მრავალჯერ აღემატება 746 ვატს, რაც ოფიციალურად ერთ ცხენის ძალას შეადგენს. რამდენიმე წუთის განმავლობაში ფიზიკურად ჯანმრთელი ადამიანი შეიძლება გამოიმუშავებდეს დაახლოებით 1,000 ვატს. ერთი საათის განმავლობაში შესასრულებელ აქტივობაზე გამომუშავებული ენერგია მცირდება 300 ვატამდე; ხოლო დღის განმავლობაში მიმდინარე აქტივობისას დაახლოებით 150 ვატამდე. ადამიანური ეკვივალენტი ხელს უწყობს ფიზიკურ და ბიოლოგიურ სისტემებში ენერგიის ნაკადების გააზრებას იმით, რომ ენერგიის ერთეულებს გადმოსცემს ადამიანთან დაკავშირებული ტერმინებით: ის ქმნის „წარმოდგენას“ მოცემული რაოდენობის ენერგიის გამოყენების შესახებ.Bicycle calculator – speed, weight, wattage etc. .

ფოტოსინთეზის პროცესში მცენარეები ინახავენ მზის სხივების ენერგიას, როგორც ქიმიური პოტენციურ ენერგიას, როცა ნახშირორჟანგი და წყალი (ორი დაბალენერგიული ნაერთი) გარდაიქმნება ნახშირწყლებად, ლიპიდებად, ცილებად და ჟანგბადად. ფოტოსინთეზის დროს შენახული ენერგიის გამოყოფა სითბოს ან სინათლის სახით შეიძლება მოხდეს უეცრად, მაგალითად ტყის ხანძრის ნაპერწკლის დროს, ან უფრო ნელა, როდესაც ცხოველებისა და ადამიანების მეტაბოლიზმისას ორგანული მოლეკულები მიიღება საკვების სახით და ფერმენტების მოქმედებით იწყება კატაბოლიზმი.

ყველა ცოცხალი ორგანიზმი ზრდისა და გამრავლებისთვის დამოკიდებულია ენერგიის გარე წყაროზე — მწვანე მცენარეების შემთხვევაში ეს არის მზის სხივების ენერგია, ხოლო ცხოველების შემთხვევაში — ქიმიური ენერგია (რაიმე ფორმით). ზრდასრული ადამიანის დღიური რეკომენდებული რაოდენობის, 1500-2000 კალორიის (6–8 MJ) მიღება საკვების მოლეკულების სახით ხდება, რომელთა უმეტესობას ნახშირწყლები და ცხიმები შეადგენენ. მაგალითად, გლუკოზა (C6H12O6) და სტეარინი (C57H110O6) ამ პროცესში გამოყენებული ქიმიური ნაერთების შესაფერისი მაგალითებია. საკვების მოლეკულები მიტოქონდრიაში იჟანგება ნახშირორჟანგად და წყლად:
C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O
C57H110O6 + (81 1/2) O2 -> 57CO2 + 55H2O
და ამ ენერგიის ნაწილი გამოიყენება ადენოზინდიფოსფატის გარდაქმნისთვის ადენოზინტრიფოსფატად:
ADP + HPO42− → ATP + H2
დანარჩენი ქიმიური ენერგია სითბოდ გარდაიქმნება: ATP გამოიყენება როგორც „ენერგეტიკული ვალუტა“ და მისი ქიმიური ენერგიის ნაწილი სხვადასხვა მეტაბოლური პროცესებისთვის იხარჯება როცა ATP რეაგირებს OH ჯგუფებთან და საბოლოოდ ADP-სა და ფოსფატად იშლება (ყოველ მეტაბოლურ ეტაპზე ქიმიური ენერგიის ნაწილი სითბოში გარდაიქმნება). თავდაპირველი ქიმიური ენერგიის მხოლოდ მცირე ნაწილი გამოიყენება სამუშაოსთვის:ეს მაგალითები მხოლოდ ილუსტრაციისთვისაა, რადგან სპორტსმენის პერფორმანსს არა ენერგიის რაოდენობა, არამედ სიმძლავრის გამომუშავება (მოკლე დისტანციაზე მორბენლის შემთხვევაში) და ძალა (წონის მომატების შემთხვევაში) ზღუდავს.
 100 მ სირბილის დროს მორბენალის კინეტიკური ენერგიის მატება: 4 კჯ
 150 კგ წონის 2 მეტრის სიმაღლეზე აწევის პოტენციალური ენერგიის მატება: 3 კჯ
 ჩვეულებრივი ზრდასრული ადამიანის დღიური საკვების მიღება: 6–8 MJ
როგორც ჩანს, ცოცხალი ორგანიზმები ენერგიის გამოყენების მხრივ გამოკვეთილად არაეფექტიანები არიან (ფიზიკური გაგებით); უმეტესობა მანქანებისა გაცილებით ეფექტიანად მუშაობს. ზრდის პროცესში მყოფ ორგანიზმებში სითბოდ გარდაქმნილი ენერგია მნიშვნელოვანია, რადგან ის უზრუნველყოფს ქსოვილების მაღალ ორგანიზებულობას. თერმოდინამიკის მეორე კანონი ამბობს, რომ ენერგიას (და მატერიას) ახასიათებს სივრცეში უფრო თანაბრად გავრცელების ტენდენცია: რათა კონცენტრირდეს ენერგია (ან მატერია) ერთ კონკრეტულ ადგილას, აუცილებელია მისი უფრო დიდი რაოდენობის გავრცელება გარემოში („გარემო პირობებში“).კრისტალებიც ბუნებაში არსებული მაღალორგანიზებული სისტემების მაგალითია. უმარტივეს ორგანიზმებს უფრო მაღალი ენერგოეფექტიანობის მიღწევა შეუძლიათ, ვიდრე უფრო რთულ ორგანიზმებს, მაგრამ რთული ორგანიზმები იმ ეკოლოგიურ ნიშებში სახლდებიან, რომლებიც მათ მარტივი „ძმებისთვის“ ხელმისაწვდომი არ არის. ქიმიური ენერგიის ნაწილის სითბოდ გარდაქმნა მეტაბოლური გზის თითოეულ საფეხურზე წარმოადგენს ეკოლოგიაში დაკვირვებადი ბიომასის პირამიდის ფიზიკურ მიზეზს. მაგალითად, თუ განვიხილავთ საკვები ჯაჭვის მხოლოდ პირველ საფეხურს: დაახლოებითი 124.7 პეტაგრამი/წელი ნახშირბადიდან, რომელიც ფიქსირდება ფოტოსინთეზის პროცესში, 64.3 პეტაგრამი/წელი (52%) გამოიყენება მწვანე მცენარეების მეტაბოლიზმისთვის,Ito, Akihito; Oikawa, Takehisa (2004). "Global Mapping of Terrestrial Primary Productivity and Light-Use Efficiency with a Process-Based Model. " in Shiyomi, M. et al. (Eds.) Global Environmental Change in the Ocean and on Land. pp. 343–58. ანუ ხელახლა გარდაიქმნება ნახშირორჟანგად და სითბოდ.
 დედამიწის მეცნიერებები   
გეოლოგიაში, კონტინენტური დრეიფი, ქედები, ვულკანები და მიწისძვრები ისეთი მოვლენებია, რომლებიც შეიძლება აიხსნას დედამიწის შიდა ენერგეტიკული გარდაქმნებით, მაშინ როცა მეტეოროლოგიური მოვლენები, როგორიცაა ქარი, წვიმა, სეტყვა, თოვლი, ელვა, ტორნადო და ქარიშხლები, ჩვენი ატმოსფეროს ენერგეტიკული გარდაქმნების შედეგია, რომელიც მზის ენერგიით წარმოიქმნება.  

მზის სინათლე არის ძირითადი წყარო დედამიწის ენერგეტიკული ბალანსისთვის, რომელიც განსაზღვრავს მის ტემპერატურას და კლიმატის სტაბილურობას. მზის სინათლე შეიძლება შენახულ იქნას გრავიტაციული პოტენციური ენერგიის სახით მას შემდეგ, რაც დედამიწაზე მოხვდება, მაგალითად, როდესაც წყალი ოკეანეებიდან ორთქლდება და მთებზე ნალექად ილექება (სადაც, ჰიდროელექტროსადგურში გამოშვების შემდეგ, ის შეიძლება გამოყენებულ იქნას ტურბინებისა და გენერატორების გასამართად ელექტროენერგიის წარმოებისთვის). მზის ენერგია ასევე წარმართავს მეტეოროლოგიურ მოვლენებს, რამდენიმე გამონაკლისის გარდა, როგორიცაა ვულკანური აქტივობით გამოწვეული მოვლენები. მზის მიერ წარმოქმნილი ამინდის ერთ-ერთი მაგალითია ქარიშხალი, რომელიც ხდება მაშინ, როდესაც თვეების განმავლობაში გახურებული დიდი არასტაბილური ოკეანური ზონები უეცრად გამოყოფენ ნაწილს თავიანთი სითბური ენერგიისგან, რამაც შეიძლება რამდენიმე დღის განმავლობაში ძლიერი ატმოსფერული მოძრაობები გამოიწვიოს.  

უფრო ნელი პროცესია რადიოაქტიური დაშლა, რომელიც დედამიწის ბირთვში გამოყოფს სითბოს. ეს სითბური ენერგია ტექტონიკური ფილების მოძრაობას უწყობს ხელს და შესაძლოა ოროგენეზის საშუალებით მთების წარმოქმნაც გამოიწვიოს. ეს ნელი აწევა წარმოადგენს თბური ენერგიის გრავიტაციულ პოტენციურ შენახვას, რომელიც მოგვიანებით შეიძლება გარდაიქმნას კინეტიკურ ენერგიად მეწყრის დროს, გარკვეული განმაპირობებელი მოვლენის შემდეგ. მიწისძვრები ასევე ათავისუფლებს ქანებში დაგროვილ ელასტიკურ პოტენციურ ენერგიას, რომელიც საბოლოოდ იმავე რადიოაქტიური სითბური წყაროებიდან მოდის. შესაბამისად, თანამედროვე გაგებით, ისეთი მოვლენები, როგორიცაა მეწყრები და მიწისძვრები, ათავისუფლებენ იმ ენერგიას, რომელიც ადრე გრავიტაციულ ველში ან ქანების მექანიკურ პოტენციურ ენერგიად იყო შენახული. ამ პროცესებამდე კი, ეს ენერგია ჯერ კიდევ იმ მძიმე ატომებში იყო ჩაჭერილი, რომლებიც დიდი ხნის წინ განადგურებული სუპერნოვას ვარსკვლავების კოლაფსის შედეგად წარმოიქმნენ.
 კოსმოლოგია   

კოსმოლოგიასა და ასტრონომიაში ისეთი მოვლენები, როგორიცაა ვარსკვლავები, ნოვა, სუპერნოვა, კვაზარი და გამა-გამოსხივების აფეთქება, წარმოადგენენ მატერიის უმაღლესი ენერგეტიკული გარდაქმნების მაგალითებს სამყაროში. ყველა ვარსკვლავური მოვლენა (მათ შორის მზის აქტივობაც) სხვადასხვა ტიპის ენერგეტიკული გარდაქმნებით იკვებება. ამგვარი გარდაქმნების ენერგია შეიძლება წარმოიშვას გრავიტაციული კოლაფსის შედეგად, როდესაც მატერია (ჩვეულებრივ, მოლეკულური წყალბადი) გარდაიქმნება სხვადასხვა კლასის ასტრონომიულ ობიექტებად (ვარსკვლავებად, შავ ხვრელებად და ა.შ.), ან ბირთვული შერწყმის პროცესში (უფრო მსუბუქი ელემენტების, ძირითადად წყალბადის).  

მზეში წყალბადის ბირთვული სინთეზის პროცესიც ათავისუფლებს სხვა სახის პოტენციურ ენერგიას, რომელიც დიდი აფეთქების დროს წარმოიქმნა. თეორიის თანახმად, იმ პერიოდში სივრცე გაფართოვდა და სამყარო იმდენად სწრაფად გაცივდა, რომ წყალბადმა ვერ მოასწრო სრულად შერწყმა და მძიმე ელემენტებად გარდაქმნა. ამ პროცესის შედეგად, წყალბადი წარმოადგენს პოტენციური ენერგიის წყაროს, რომელიც ბირთვული შერწყმის გზით შეიძლება გამოიყოს. ასეთი შერწყმა იწყება მაშინ, როდესაც წყალბადის ღრუბლები გრავიტაციული კოლაფსის შედეგად წარმოქმნიან ვარსკვლავებს, ამ პროცესში წარმოქმნილი სითბო და წნევა კი ბირთვული რეაქციების დასაწყებად საკმარის პირობებს ქმნის. საბოლოოდ, შერწყმით წარმოქმნილი ენერგიის ნაწილი მზის სინათლედ გარდაიქმნება.
 კვანტური მექანიკა   
კვანტურ მექანიკაში ენერგია განისაზღვრება ენერგიის ოპერატორის (ჰამილტონური) საშუალებით, როგორც ტალღური ფუნქციის დროის წარმოებული. შრედინგერის განტოლება ენერგიის ოპერატორს უტოლებს ნაწილაკის ან სისტემის სრულ ენერგიას. მისი შედეგები შეიძლება ჩაითვალოს ენერგიის საზომის განმარტებად კვანტურ მექანიკაში. შრედინგერის განტოლება აღწერს კვანტური სისტემების ტალღური ფუნქციის სივრცულ და დროით ცვლილებას, როცა ის ნელა იცვლება (არარელატივისტური შემთხვევა). ამ განტოლების ამოხსნა შეკრული სისტემისთვის დისკრეტულია (დაშვებული მდგომარეობების ერთობლიობა, თითოეული ხასიათდება ენერგეტიკული დონით), რაც განაპირობებს კვანტების კონცეფციას. შრედინგერის განტოლების ამოხსნისას ნებისმიერი მრხევის და ელექტრომაგნიტური ტალღებისთვის ვაკუუმში, მიღებული ენერგეტიკული მდგომარეობები უკავშირდება სიხშირეს პლანკის თანაფარდობით:  (სადაც  არის პლანკის მუდმივა, ხოლო  – სიხშირე).  

ელექტრომაგნიტური ტალღის შემთხვევაში ეს ენერგეტიკული მდგომარეობები ცნობილია როგორც სინათლის კვანტები ან ფოტონები.
 ფარდობითობა 
კინეტიკური ენერგიის (მუშაობა მასიური სხეულის აჩქარებისთვის ნულოვანი სიჩქარიდან გარკვეულ სასრულ სიჩქარემდე) ფარდობითად გამოთვლისას – ლორენცის გარდაქმნების გამოყენებით ნიუტონის მექანიკის ნაცვლად – აინშტაინმა აღმოაჩინა ამ გამოთვლების მოულოდნელი თანამდევი პროდუქტი: ენერგია, რომელიც არ ქრება ნულოვან სიჩქარეზე, რასაც მან უწოდა უძრაობის ენერგია: ენერგია, რომელიც უნდა გააჩნდეს ყველა მასიურ სხეულს, მაშინაც კი, როდესაც ის უძრავ მდგომარეობაშია. ენერგიის რაოდენობა პირდაპირპროპორციულია სხეულის მასის:

სადაც
 m0 არის სხეულის უძრაობის მასა,
 c არის სინათლის სიჩქარე ვაკუუმში,
  არის უძრაობის ენერგია.
მაგალითად, განვიხილოთ ელექტრონ–პოზიტრონის ანიჰილაცია, სადაც ამ ორი ნაწილაკის უძრაობის ენერგია (მათი უძრაობის მასის ეკვივალენტური) გარდაიქმნება პროცესში წარმოქმნილი ფოტონების გამოსხივების ენერგიად. ამ სისტემაში მატერია და ანტიმატერია (ელექტრონები და პოზიტრონები) ნადგურდება და გარდაიქმნება არა-მატერიად (ფოტონებად). თუმცა, ჯამური მასა და ჯამური ენერგია ამ ურთიერთქმედების დროს არ იცვლება. ფოტონებს არ გააჩნიათ უძრაობის მასა, მაგრამ მიუხედავად ამისა, აქვთ გამოსხივების ენერგია, რომელიც ავლენს იმავე ინერციას, რაც ჰქონდათ თავდაპირველ ნაწილაკებს. ეს არის შექცევადი პროცესი – შებრუნებულ პროცესს ეწოდება წყვილთწარმოქმნა – რომელშიც ნაწილაკების უძღაობის მასა იქმნება ორი (ან მეტი) ანიჰილირებული ფოტონის გამოსხივების ენერგიიდან.

ზოგად ფარდობითობაში, ენერგია-იმპულსის ტენზორი წარმოადგენს გრავიტაციული ველის წყარო-ტერმინს, დაახლოებით ანალოგიურად იმისა, თუ როგორ წარმოადგენს მასა წყარო-ტერმინს არაფარდობით ნიუტონისეულ მიახლოებაში.
ენერგია და მასა არის სისტემის ერთი და იმავე ძირითადი ფიზიკური თვისების გამოვლინებები. ეს თვისება პასუხისმგებელია სისტემის ინერციასა და გრავიტაციული ურთიერთქმედების სიძლიერეზე ("მასის გამოვლინებები"), და ასევე პასუხისმგებელია სისტემის პოტენციურ უნარზე შეასრულოს მუშაობა ან გათბობა ("ენერგიის გამოვლინებები"), სხვა ფიზიკური კანონების შეზღუდვების გათვალისწინებით.

კლასიკურ ფიზიკაში, ენერგია არის სკალარული სიდიდე, დროის კანონიკური ცვლადი. სპეციალურ ფარდობითობაში ენერგია ასევე სკალარია (თუმცა არა ლორენცის სკალარი, არამედ ენერგია-იმპულსის 4-ვექტორის დროის კომპონენტი). სხვა სიტყვებით, ენერგია ინვარიანტულია სივრცის ბრუნვების მიმართ, მაგრამ არ არის ინვარიანტული სივრცე-დროის ბრუნვების მიმართ (= ბუსტები).
 გარდაქმნა 
+ენერგიის ზოგიერთი ფორმის გადაცემა („ენერგია გადაადგილებაში“) ერთი ობიექტიდან ან სისტემიდან მეორეზე გადაცემის პროცესის ტიპი  აღწერასითბოთერმული ენერგიის თანაბარი რაოდენობა გადაადგილებაში, რომელიც სპონტანურად მიემართება დაბალი ტემპერატურის მქონე ობიექტისკენმუშაობათანაბარი რაოდენობის ენერგია გადაადგილებაში, რომელიც გამოწვეულია ძალის მოქმედების მიმართულებით წანაცვლებითმასალის გადაცემათანაბარი რაოდენობის ენერგია, რომელსაც ნივთიერება ატარებს ერთი სისტემიდან მეორეში გადაადგილებისას

ენერგია სხვადასხვა ფორმებს შორის განსხვავებული ეფექტიანობით შეიძლება გარდაიქმნას. მოწყობილობები, რომლებიც გარდაქმნიან ენერგიის ამ ფორმებს, ცნობილია როგორც ტრანსდიუსერები. ტრანსდიუსერების მაგალითებია ბატარეა (ქიმიური ენერგიიდან ელექტრულ ენერგიამდე), კაშხალი (გრავიტაციული პოტენციური ენერგიიდან მოძრავი წყლის კინეტიკურ ენერგიამდე (და ტურბინის ფრთების ენერგიამდე), საბოლოოდ კი ელექტროენერგიამდე ელექტროგენერატორის მეშვეობით) და სითბური ძრავა (სითბოს ენერგიიდან სამუშაომდე).

ენერგიის გარდაქმნის მაგალითებია ელექტროენერგიის გამომუშავება სითბური ენერგიიდან ორთქლის ტურბინის მეშვეობით, ან ობიექტის აწევა გრავიტაციის წინააღმდეგ ელექტროენერგიით ამოძრავებული ამწის ძრავით. ობიექტის აწევა გრავიტაციის წინააღმდეგ მასზე მექანიკურ სამუშაოს ასრულებს და მასში გრავიტაციულ პოტენციურ ენერგიას ინახავს. თუ ობიექტი მიწაზე ვარდება, გრავიტაცია მასზე მექანიკურ სამუშაოს ასრულებს, რის შედეგადაც პოტენციური ენერგია გარდაიქმნება კინეტიკურ ენერგიად, რომელიც შეჯახებისას სითბოდ გამოიყოფა. მზე გარდაქმნის პოტენციურ ბირთვულ ენერგიას ენერგიის სხვა ფორმებად; მისი საერთო მასა თავად ამ პროცესით არ მცირდება (რადგან მას კვლავ იგივე ენერგია აქვს, თუნდაც სხვადასხვა ფორმით), მაგრამ მისი მასა მცირდება, როდესაც ენერგია გარემოში გადის, ძირითადად როგორც რადიაციული ენერგია.

არსებობს მკაცრი შეზღუდვები იმაზე, თუ რამდენად ეფექტიანად შეიძლება სითბოს გარდაქმნა მუშაობად ციკლურ პროცესში, მაგალითად, სითბურ ძრავაში, როგორც ამას კარნოს თეორემა და თერმოდინამიკის მეორე კანონი განსაზღვრავს. თუმცა, ზოგიერთი ენერგიის გარდაქმნა საკმაოდ ეფექტიანია. ენერგიის გარდაქმნის მიმართულება (რომელი ტიპის ენერგია გარდაიქმნება რომელ სხვა ტიპად) ხშირად განისაზღვრება ენტროპიის (ენერგიის თანაბარი განაწილება ყველა შესაძლო თავისუფლების ხარისხში) გათვალისწინებით. პრაქტიკაში, ყველა ენერგიის გარდაქმნა დაშვებულია მცირე მასშტაბში, მაგრამ ზოგიერთი უფრო მასშტაბური გარდაქმნა არ არის შესაძლებელი, რადგან სტატისტიკურად ნაკლებად მოსალოდნელია, რომ ენერგია ან ნივთიერება შემთხვევით უფრო კონცენტრირებულ ფორმაში ან პატარა სივრცეში გადავიდეს.

ენერგიის გარდაქმნა სამყაროში დროთა განმავლობაში ხასიათდება სხვადასხვა სახის პოტენციური ენერგიით, რომელიც ხელმისაწვდომი იყო დიდი აფეთქებიდან მოყოლებული და „გამოთავისუფლდება“ (გარდაიქმნა უფრო აქტიურ ტიპებად, როგორიცაა კინეტიკური ან რადიაციული ენერგია), როდესაც ხელმისაწვდომია გამშვები მექანიზმი. ამ პროცესების ნაცნობი მაგალითებია ნუკლეოსინთეზი, პროცესი, რომელიც, საბოლოო ჯამში, იყენებს გრავიტაციული კოლაფსის შედეგად წარმოქმნილ პოტენციურ გრავიტაციულ ენერგიას, რათა ენერგია „შეინახოს“ მძიმე იზოტოპების (როგორიცაა ურანი და თორიუმი) შექმნაში და რადიოაქტიური დაშლა, პროცესი, რომლის დროსაც გამოიყოფა ენერგია, რომელიც თავდაპირველად ამ მძიმე ელემენტებში იყო შენახული მანამ, სანამ ისინი მზის სისტემისა და დედამიწის ნაწილი გახდებოდნენ. ეს ენერგია გამოთავისუფლდება ბირთვული დაყოფის ბომბებში ან სამოქალაქო ბირთვული ენერგიის წარმოებაში. ასევე, ქიმიური აფეთქების შემთხვევაში, პოტენციური ქიმიური ენერგია გარდაიქმნება კინეტიკურ და სითბურ ენერგიად ძალიან მცირე დროში.

კიდევ ერთი მაგალითია ქანქარა. მის ყველაზე მაღალ წერტილებში კინეტიკური ენერგია ნულოვანია, ხოლო პოტენციური გრავიტაციული ენერგია მაქსიმალური. მის ყველაზე დაბალ წერტილში კინეტიკური ენერგია მაქსიმუმს აღწევს და ის ტოლია პოტენციური ენერგიის შემცირებისა. თუ (ჰიპოთეტურად) ვივარაუდებთ, რომ ხახუნი ან სხვა დანაკარგები არ არსებობს, მაშინ ენერგიის გარდაქმნა ამ პროცესებში სრულყოფილი იქნებოდა, და ქანქარა სამუდამოდ განაგრძობდა რხევას.

ენერგია მუდმივად გადადის პოტენციური ენერგიიდან () კინეტიკურ ენერგიაში () და შემდეგ კვლავ პოტენციურ ენერგიაში. ამას ენერგიის შენახვის კანონი ეწოდება. იზოლირებულ სისტემაში, ენერგია ვერ შეიქმნება ან განადგურდება; შესაბამისად, საწყისი და საბოლოო ენერგია ერთმანეთს გაუტოლდება. ეს შემდეგი ფორმულით შეიძლება გამოვხატოთ:

შემდეგ ეს განტოლება შეიძლება კიდევ გამარტივდეს, რადგან  (მასა გამრავლებული გრავიტაციულ აჩქარებაზე და სიმაღლეზე) და  (ნახევარი მასა გამრავლებული სიჩქარის კვადრატზე). საბოლოოდ, ენერგიის საერთო რაოდენობა განისაზღვრება  განტოლებით.
 ენერგიისა და მასის კონსერვაცია გარდაქმნის პროცესში   
ენერგია განაპირობებს წონას, როდესაც იგი მოთავსებულია ნულოვანი იმპულსის მქონე სისტემაში, სადაც მისი აწონვა შესაძლებელია. ენერგია ასევე ეკვივალენტურია მასასთან და მასაც ყოველთვის მასთან ასოცირდება, რადგან გააჩნია ეკვივალენტური რაოდენობის ენერგია და, ანალოგიურად, იგი ყოველთვის მასთან ერთად არსებობს, როგორც აღწერილია მასა-ენერგიის ეკვივალენტობის კონცეფციაში. ფორმულა E = mc2, რომელიც მიიღო ალბერტ აინშტაინმა (1905), რაოდენობრივად გამოხატავს კავშირს რელატივისტურ მასასა და ენერგიას შორის სპეციალური ფარდობითობის თეორიის ფარგლებში. მსგავსი ფორმულები სხვადასხვა თეორიულ ჩარჩოებში მიღებული ჰქონდათ ჯ.ჯ. თომსონს (1881), ანრი პუანკარეს (1900), ფრიდრიხ ჰაზენერლს (1904) და სხვა მეცნიერებს.

უძრაობის ენერგიის (რომელიც უძრაობის მასის ეკვივალენტურია) ნაწილი შეიძლება გარდაიქმნას ენერგიის სხვა ფორმებად (რომლებიც კვლავ ინარჩუნებენ მასას), მაგრამ არც ენერგია და არც მასა არ შეიძლება განადგურდეს; ორივე მუდმივია ნებისმიერ პროცესში. თუმცა, იმის გამო, რომ  ჩვეულებრივ ადამიანურ მასშტაბებთან შედარებით უკიდურესად დიდია, უძრაობის მასის (მაგალითად, 1 კგ) გარდაქმნა უძრაობის ენერგიიდან სხვა სახის ენერგიად (როგორიცაა კინეტიკური ენერგია, თერმული ენერგია ან სინათლისა და სხვა გამოსხივების მიერ გადატანილი რადიაციული ენერგია) გამოათავისუფლებს უზარმაზარი რაოდენობის ენერგიას (~ , რაც 21 მეგატონა ტროტილის ეკვივალენტურია), რაც კარგად ჩანს ბირთვულ რეაქტორებში და ბირთვულ იარაღში.  

საწინააღმდეგოდ ამისა, ყოველდღიური რაოდენობის ენერგიის ეკვივალენტური მასა უმნიშვნელოა, რის გამოც ენერგიის დანაკარგი (მასის დანაკარგი) უმეტეს სისტემებში წონის სასწორზე რთულად გასაზომია, თუ ენერგიის დანაკარგი უკიდურესად დიდი არ არის. მასა-ენერგიის გარდაქმნის დიდი პროცესების მაგალითები (მაგალითად, კინეტიკური ენერგიის გარდაქმნა ნაწილაკებად, რომლებსაც გააჩნიათ უძრაობის მასა) გვხვდება ბირთვულ ფიზიკაში და ნაწილაკების ფიზიკაში. თუმცა, ხშირად, მატერიის (მაგალითად, ატომების) სრული გარდაქმნა არა-მატერიად (მაგალითად, ფოტონებად) დაუშვებელია კონსერვაციის კანონების მიხედვით.
 შექცევადი და შეუქცევადი გარდაქმნები   
თერმოდინამიკა ენერგიის გარდაქმნას ორ ტიპად ყოფს: შექცევად პროცესებად და შეუქცევად პროცესებად. შეუქცევადი პროცესი ის პროცესია, რომლის დროსაც ენერგია იფანტება (ფართოვდება) მოცულობაში არსებულ ცარიელ ენერგეტიკულ მდგომარეობებში, საიდანაც მისი უკან დაბრუნება უფრო კონცენტრირებულ ფორმებში (ნაკლებ კვანტურ მდგომარეობებში) შეუძლებელია, დამატებითი ენერგიის დეგრადაციის გარეშე. შექცევადი პროცესი კი ისაა, რომლის დროსაც ასეთი გაფანტვა არ ხდება. მაგალითად, ენერგიის გარდაქმნა ერთი ტიპის პოტენციური ველიდან მეორეში შექცევადია, როგორც ზემოთ აღწერილ ქანქარის სისტემაში.  

პროცესებში, სადაც სითბო წარმოიქმნება, დაბალი ენერგიის მქონე კვანტური მდგომარეობები, რომლებიც ატომებს შორის ველებში შესაძლო აღგზნებებად არსებობს, ენერგიის ნაწილის შთანთქმის რეზერვუარად მოქმედებს, საიდანაც ის ვეღარ აღდგება, რათა 100%-იანი ეფექტურობით გარდაიქმნას ენერგიის სხვა ფორმებად. ამ შემთხვევაში, ენერგიის ნაწილი უნდა დარჩეს თერმულ ენერგიად და ვერ იქნება სრულად აღდგენილი გამოსადეგ ენერგიად, გარდა იმ შემთხვევისა, როდესაც სხვა სახის ქაოსის (მაგალითად, ნივთიერების გაფართოების ან კრისტალის რენდომიზაციის) ზრდის საფასურად მოხდება მისი აღდგენა.  

როდესაც სამყარო დროთა განმავლობაში ვითარდება, მისი სულ უფრო მეტი ენერგია ხვდება შეუქცევად მდგომარეობებში (მაგალითად, სითბოს სახით ან უწესრიგობის სხვა ფორმებით). ამან განაპირობა თერმოდინამიკური სითბური სიკვდილის ჰიპოთეზის წარმოქმნა. ამ სითბური სიკვდილის დროს, სამყაროს ენერგიის საერთო რაოდენობა უცვლელი რჩება, თუმცა იმ ენერგიის წილი, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას სითბური ძრავის მეშვეობით სამუშაოს შესასრულებლად, ან გარდაიქმნას სხვა გამოსადეგი ენერგიის ფორმებად (სითბური ძრავისთვის მიერთებული გენერატორების გამოყენებით), განუწყვეტლივ მცირდება.
 ენერგიის შენახვის კანონი 

ის ფაქტი, რომ ენერგიის შექმნა ან განადგურება შეუძლებელია, ცნობილია როგორც ენერგიის შენახვის კანონი. თერმოდინამიკის პირველი კანონის ფორმით ეს გულისხმობს, რომ ჩაკეტილი სისტემის ენერგია მუდმივია, თუ მასში ან მისგან ენერგია არ გადადის მუშაობის ან სითბოს სახით და რომ გადაცემისას ენერგია არ იკარგება. სისტემაში შესული ენერგიის სრული რაოდენობა უნდა უდრიდეს სისტემიდან გასული ენერგიის სრულ რაოდენობას, დამატებული იმ ენერგიის ცვლილებას, რომელიც თავად სისტემაშია დაცული. როდესაც ვინმე ზომავს (ან თვლის) ნაწილაკთა სისტემის მთლიან ენერგიას, რომლის ურთიერთქმედებებიც პირდაპირ არ არის დამოკიდებული დროზე, აღმოჩნდება, რომ ამ სისტემის ენერგია ყოველთვის უცვლელია.Charles Kittel, Walter D. Knight and Malvin A. Ruderman. Berkeley Physics Course, Vol. 1.

მიუხედავად იმისა, რომ იდეალური აირის შექცევად იზოთერმულ გაფართოებაში სითბო სრულად გარდაიქმნება სამუშაოში, თერმოდინამიკის მეორე კანონი აცხადებს, რომ პრაქტიკულად მნიშვნელოვან ციკლურ პროცესებში, როგორიცაა სითბური ძრავი, სისტემა, რომელიც მუშაობას ასრულებს, ყოველთვის კარგავს გარკვეულ ენერგიას ნარჩენი სითბოს სახით. ეს ქმნის ზღვარს იმ სითბური ენერგიის რაოდენობაზე, რომელიც შეიძლება გარდაიქმნას სამუშაოში ციკლური პროცესისას; ეს ზღვარი ცნობილია როგორც ხელმისაწვდომი ენერგია. მექანიკური და სხვა სახის ენერგიები შეიძლება გარდაიქმნას თერმულ ენერგიად ასეთი შეზღუდვების გარეშე. სისტემის საერთო ენერგია შეიძლება გამოვთვალოთ სისტემაში არსებული ყველა სახის ენერგიის შეკრებით.

რიჩარდ ფეინმანი 1961 წლის ლექციაზე ამბობდა:

ენერგიის უმეტესობა (გრავიტაციული ენერგიის გამოკლებით) ექვემდებარება კონსერვაციის მკაცრ ლოკალურ კანონებს. ასეთ შემთხვევაში, ენერგიის გადაცემა შესაძლებელია მხოლოდ მიმდებარე სივრცით რეგიონებს შორის და ყველა დამკვირვებელი თანხმდება მოცემულ სივრცეში ენერგიის მოცულობით სიმკვრივეზე. არსებობს ასევე ენერგიის გლობალური კონსერვაციის კანონი, რომელიც აცხადებს, რომ სამყაროს მთლიანი ენერგია არ იცვლება; იგი ლოკალური კანონიდან გამომდინარეობს, თუმცა არა პირიქით.თერმოდინამიკის კანონები.  ენერგიის, თავისუფალი ენერგიის და სხვა ცნებების ზუსტი განსაზღვრებები.

ეს კანონი ფიზიკის ერთ-ერთი ფუნდამენტური პრინციპია. ნეთერის თეორემის მიხედვით, ენერგიის კანონზომიერება მათემატიკური შედეგია დროის ტრანსლაციური სიმეტრიისა, რაც ნიშნავს, რომ ფიზიკური პროცესები არ არიან დამოკიდებული მათ დროით კოორდინატებზე. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, გუშინ, დღეს და ხვალ ფიზიკურად ერთნაირია. ეს გამოწვეულია იმით, რომ ენერგია არის სიდიდე, რომელიც კანონიკურად შეწყვილებულია დროსთან. ენერგიასა და დროს შორის ამ მათემატიკურმა ურთიერთობამ წარმოშვა გაურკვევლობის პრინციპი – შეუძლებელია ენერგიის ზუსტი განსაზღვრა განსაზღვრულ დროის შუალედში (თუმცა, ეს პრაქტიკულად მხოლოდ ძალიან მცირე დროის შუალედებშია მნიშვნელოვანი).

ბუნების თითოეული ფუნდამენტური ძალა დაკავშირებულია პოტენციურ ენერგიასთან, ხოლო ყველა სახის პოტენციური ენერგია (ისევე როგორც ყველა სხვა სახის ენერგია) გვხვდება სისტემის მასის სახით, როცა ის არსებობს. მაგალითად, შეკუმშული ზამბარა ოდნავ უფრო მასიური იქნება, ვიდრე შეკუმშვამდე.

კვანტურ მექანიკაში ენერგია წარმოდგენილია ჰამილტონის ოპერატორით. ნებისმიერ დროის შკალაზე ენერგიის განუსაზღვრელობა მოცემულია შემდეგი ტოლობით:  



ეს ტოლობა ფორმით ჰგავს ჰაიზენბერგის განუსაზღვრელობის პრინციპს, თუმცა მათემატიკურად ზუსტად არ ემთხვევა, რადგან H და t არც კლასიკურ და არც კვანტურ მექანიკაში დინამიკურად შეწყვილებული ცვლადები არ არიან.  

ნაწილაკების ფიზიკაში ეს უთანასწორობა საშუალებას გვაძლევს მივიღოთ თვისებრივი გაგება ვირტუალური ნაწილაკების შესახებ, რომლებიც ატარებენ იმპულსს. ვირტუალური ნაწილაკების გაცვლა რეალურ ნაწილაკებთან პასუხისმგებელია ყველა ცნობილ ფუნდამენტური ძალის (უფრო ზუსტად, ფუნდამენტური ურთიერთქმედებების) წარმოქმნაზე. ვირტუალური ფოტონები ასევე პასუხისმგებელნი არიან ელექტროსტატიკურ ურთიერთქმედებაზე ელექტრულ მუხტებს შორის (რის შედეგადაც წარმოიქმნება კულონის კანონი), აგრეთვე სპონტანური რადიაციული დაშლისთვის აღგზნებული ატომური და ბირთვული მდგომარეობებიდან, კაზიმირის ძალისთვის, ვან დერ ვაალის ძალისთვის და სხვა დამკვირვებადი მოვლენებისთვის.

 ენერგიის გადაცემა   
 ჩაკეტილი სისტემები   
ენერგიის გადაცემა შეიძლება განვიხილოთ იმ განსაკუთრებულ შემთხვევაში, როდესაც სისტემა ჩაკეტილია მატერიის გადაცემის მიმართ. ენერგიის ის ნაწილი, რომელიც გადაეცემა შემნახველი ძალების საშუალებით გარკვეულ მანძილზე, იზომება, როგორც მუშაობა, რომელსაც საწყისი სისტემა ასრულებს მიმღებ სისტემაზე. ენერგიის ის ნაწილი, რომელიც გადაცემის დროს სამუშაოს არ ასრულებს, არის სითბო.მიუხედავად იმისა, რომ სითბო „დაკარგული“ ენერგიაა კონკრეტული ენერგეტიკული გადაცემისას (იხ. ნარჩენი სითბო), იგი ხშირად შეიძლება გამოყენებულ იქნას შემდგომი სასარგებლო სამუშაოს შესასრულებლად. თუმცა, ამგვარი აღდგენის პროცესებიდან მიღებული მაქსიმალური ენერგია შეზღუდულია თერმოდინამიკის მეორე კანონით.  
ენერგიის გადაცემა სისტემებს შორის სხვადასხვა გზით შეიძლება მოხდეს. მაგალითებია ელექტრომაგნიტური ენერგიის გადაცემა ფოტონების საშუალებით, ფიზიკური შეჯახებები, რომლებიც გადაცემენ კინეტიკურ ენერგიას,მეტწილად, მაკროსკოპული ფიზიკური შეჯახებების მექანიზმი ელექტრომაგნიტურია, მაგრამ ხშირად უფრო მოსახერხებელია შეჯახების მექანიზმის უგულებელყოფა და მხოლოდ საწყისი და საბოლოო შედეგების გათვლა. ზედაწევითი ძალების ურთიერთქმედება, და თერმული ენერგიის კონდუქციური გადაცემა.  

ენერგია მკაცრად დაცულია და ასევე ლოკალურად კონსერვირებულია ყველგან, სადაც მისი განსაზღვრა შესაძლებელია. თერმოდინამიკაში, ჩაკეტილი სისტემების შემთხვევაში, ენერგიის გადაცემის პროცესი აღწერილია თერმოდინამიკის პირველი კანონის მიხედვით:ამ განტოლებისთვის არსებობს რამდენიმე ნიშნების შეთანხმება. აქ მოცემული ნიშანთა სისტემა შეესაბამება IUPAC-ის შეთანხმებას.  

სადაც  წარმოადგენს გადაცემული ენერგიის რაოდენობას,  აღნიშნავს სისტემაზე შესრულებულ ან სისტემის მიერ შესრულებულ სამუშაოს, ხოლო  აღნიშნავს სითბოს გადაცემას სისტემაში ან სისტემიდან. გამარტივებისთვის, სითბოს წევრი, , შეიძლება უგულებელვყოთ, განსაკუთრებით სწრაფ პროცესებში, რომლებიც მოიცავს აირებს (რომლებიც ცუდი თბოგამტარები არიან) ან როდესაც თერმული ეფექტიანობა მაღალია. ასეთ ადიაბატურ პროცესებში



ეს გამარტივებული განტოლება, მაგალითად, ჯოულის განსაზღვრისთვის გამოიყენება.  

 ღია სისტემები   
დახურული სისტემების შეზღუდვებს მიღმა, ღია სისტემები ენერგიას შეიძლება იღებდნენ ან კარგავდნენ მატერიის გადაცემასთან ერთად (ამის მაგალითია საწვავისა და ჰაერის ნარევის შეყვანა ავტომობილის ძრავში, რაც სისტემას ენერგიას მატებს სამუშაოსა და სითბოს გარეშე). აღნიშნული ენერგია აღინიშნება როგორც  და განტოლება იღებს შემდეგ სახეს:  

თერმოდინამიკა
შინაგანი ენერგია  
შინაგანი ენერგია არის სისტემის ყველა მიკროსკოპული ენერგიის ჯამი. ეს არის ენერგია, რომელიც საჭიროა სისტემის შესაქმნელად. იგი უკავშირდება პოტენციურ ენერგიას, მაგალითად, მოლეკულურ სტრუქტურას, კრისტალურ სტრუქტურას და სხვა გეომეტრიულ ასპექტებს, ასევე ნაწილაკების მოძრაობას კინეტიკური ენერგიის სახით. თერმოდინამიკა ძირითადად შინაგანი ენერგიის ცვლილებებს განიხილავს და არა მის აბსოლუტურ მნიშვნელობას, რადგან მისი განსაზღვრა მხოლოდ თერმოდინამიკის მეშვეობით შეუძლებელია.I. Klotz, R. Rosenberg, Chemical Thermodynamics – Basic Concepts and Methods, 7th ed., Wiley (2008), p. 39  
თერმოდინამიკის პირველი კანონი  
თერმოდინამიკის პირველი კანონი ამტკიცებს, რომ სისტემისა და მისი გარემოს საერთო ენერგია (მაგრამ არა აუცილებლად თერმოდინამიკური თავისუფალი ენერგია) ყოველთვის შენარჩუნებულია და რომ სითბური ნაკადი ენერგიის გადაცემის ერთ-ერთი ფორმაა. ერთგვაროვანი სისტემებისთვის, რომელთაც გააჩნიათ მკაფიოდ განსაზღვრული ტემპერატურა და წნევა, პირველი კანონის გავრცელებული შედეგი არის ის, რომ სისტემის შინაგანი ენერგიის დიფერენციალური ცვლილება (სადაც ენერგიის მატება დადებითი მნიშვნელობით აღინიშნება) მოცემულია როგორც:  



სადაც პირველ წევრში სითბოს გადაცემა გამოიხატება ტემპერატურის  და ენტროპიის  საშუალებით (სითბოს დამატებისას ენტროპია იზრდება და მისი ცვლილება  დადებითია), ხოლო მეორე წევრი აღნიშნავს სისტემაზე შესრულებულ სამუშაოს, სადაც  არის წნევა და  მოცულობა (უარყოფითი ნიშანი ჩნდება, რადგან სისტემის შეკუმშვისას მასზე სამუშაო სრულდება და მოცულობის ცვლილება  უარყოფითია).  

ეს განტოლება საკმაოდ სპეციფიკურია და არ ითვალისწინებს ქიმიურ, ელექტრულ, ბირთვულ ან გრავიტაციულ ძალებს, აგრეთვე ენერგიის სხვა ფორმების ადვექციას სითბოსა და  სამუშაოს გარდა. თერმოდინამიკის პირველი კანონის ზოგადი ფორმულირება, ანუ ენერგიის შენახვის პრინციპი, ვრცელდება ისეთ შემთხვევებზეც, როდესაც სისტემა არ არის ერთგვაროვანი. ასეთ შემთხვევებში დახურული სისტემის შინაგანი ენერგიის ცვლილება ზოგადი სახით გამოიხატება:  



სადაც  არის სისტემისთვის მიწოდებული სითბო, ხოლო  არის სისტემაზე შესრულებული სამუშაო.  

ენერგიის ეკვიპარტიცია  
მექანიკური ოსცილატორის (მაგალითად, ზამბარაზე მიმაგრებული მასის) ენერგია მონაცვლეობით კინეტიკური და პოტენციურია. რხევის ციკლის ორ წერტილში ის მთლიანად კინეტიკური ენერგიის სახითაა, ხოლო ორ წერტილში მთლიანად პოტენციური. მთლიანი ციკლის განმავლობაში ან მრავალჯერადი ციკლების საშუალო მაჩვენებლით, ენერგია თანაბრად ნაწილდება კინეტიკურ და პოტენციურ ენერგიებს შორის.  

ეს წარმოადგენს ეკვიპარტიციის (თანაბარი განაწილების) პრინციპის მაგალითს: სისტემის მთლიანი ენერგია, რომელსაც მრავალი თავისუფლების ხარისხი აქვს, საშუალოდ თანაბრად ნაწილდება ყველა ხელმისაწვდომ თავისუფლების ხარისხზე.  

ეს პრინციპი კრიტიკულად მნიშვნელოვანია ენერგიის განაწილების ერთგვაროვნების საზომი მაჩვენებლის — ენტროპიის გასაგებად. ენტროპია ზომავს, რამდენად თანაბრად არის განაწილებული ენერგია სისტემის სხვადასხვა ნაწილში. თუ იზოლირებულ სისტემას ახალი თავისუფლების ხარისხები ემატება (ანუ, ახალი ენერგეტიკული მდგომარეობები, რომლებიც ძველ მდგომარეობებს ემთხვევა), მაშინ ენერგია თანაბრად ნაწილდება ყველა შესაძლო მდგომარეობაზე, განსხვავების გარეშე.  

ეს მათემატიკური შედეგი თერმოდინამიკის მეორე კანონის ნაწილია. მეორე კანონი მარტივი გასაგებია მხოლოდ მაშინ, როდესაც სისტემა ფიზიკურ წონასწორობაშია ან მის სიახლოვეს იმყოფება. არაწონასწორი სისტემების შემთხვევაში, მათი ქცევის კანონები კვლავ განხილვის საგანია. ასეთ სისტემებზე ერთი განმსაზღვრელი პრინციპი არის მაქსიმალური ენტროპიის წარმოების პრინციპი. ეს პრინციპი აცხადებს, რომ არაწონასწორი სისტემები ისე ვითარდებიან, რომ მაქსიმალურად გაზარდონ ენტროპიის წარმოება.
 შენიშვნები 

რეკომენდებული ლიტერატურა


 The Biosphere (A Scientific American Book), San Francisco, California, W. H. Freeman and Company, 1970.. This book, originally a 1970 Scientific American issue, covers virtually every major concern and concept since debated regarding materials and energy resources, population trends, and environmental degradation.

 Energy and Power (A Scientific American Book), San Francisco, California, W. H. Freeman and Company, 1971..

 Santos, Gildo M. "Energy in Brazil: a historical overview," The Journal of Energy History (2018), online.



 ჟურნალები 
 The Journal of Energy History / Revue d'histoire de l'énergie (JEHRHE), 2018–  

 სქოლიო 

კატეგორია:ფიზიკური სიდიდეები