Työ (fysiikka)

Työ on fysikaalinen suure, joka kuvaa energian siirtymistä systeemien välillä tai energialajista toiseen voiman vaikutuksesta. Työn tunnuksena käytetään kirjainta "W" (englannin sanasta "work"), ja sen SI-yksikkö on energian yksikkö joule (tunnus J).
Yksinkertaisimmillaan työ on kappaleen siirtämiseksi tehtyä mekaanista työtä, joka lasketaan kappaleeseen vaikuttavan voiman ja kappaleen siirtymän matkan tulona:
Työ = voima × siirtymä,
olettaen että voima pysyy koko ajan samansuuruisena ja kappaleen liikkeen suuntaisena. Työ on skalaarinen suure, joten sillä ei ole suuntaa, ainoastaan etumerkki joka ilmaisee sen pyrkiikö voima kasvattamaan vai pienentämään kappaleen liike-energiaa. Kappaleeseen tehty työ voi mennä joko kappaleen kiihdyttämiseen tai kitkan ja muiden vastusvoimien voittamiseen. Ensimmäisessä tapauksessa työ siirtyy kappaleen liike-energiaksi, kun taas jälkimmäisessä tapauksessa se siirtyy kappaleen ja sen ympäristön sisäenergiaksi, kasvattaen niiden lämpötilaa. Ensimmäisessä tapauksessa kappale jatkaa kulkuaan työn tekemisen jälkeen, kun taas jälkimmäisessä tapauksessa se jää paikalleen.
Mekaanisen siirtotyön lisäksi muita työn muotoja ovat esimerkiksi kaasun paineen tekemä tilavuudenmuutostyö sekä sähkökentän sähkövarauksen siirtämiseksi tekemä työ. Konservatiivisen voiman, kuten painovoiman, tekemä työ ei riipu kappaleen kulkemasta reitistä, vaan ainoastaan kappaleen sijainnista tarkasteltavan prosessin alku- ja loppuhetkellä.
Työn merkitys suureena perustuu "työ­­–energiaperiaatteeseen", jonka perusteella systeemin liike-energian muutos vastaa siihen tehtyä työtä. Mekaanisen energian käsitteen kautta tämä havainto yleistyy energian säilymislaiksi, johon läheisesti liittyvän termodynamiikan ensimmäisen pääsäännön mukaan suljetun systeemin sisältämän energian muutos vastaa siihen tehdyn työn ja siihen virtaavan lämmön summaa. Lämpö ja työ ovat molemmat tapoja siirtää energiaa systeemien välillä, ja niiden ero syntyy erottelusta mikroskooppisten ja makroskooppisten vapausasteiden välillä: Työllä tarkoitetaan makroskooppisten, järjestäytyneiden vapausasteiden kautta siirtyvää energiaa, kun taas lämpö on mikroskooppisten epäjärjestäytyneiden vapausasteiden kautta siirtyvää energiaa. Termodynamiikan sovelluksista yksi merkittävin on lämpövoimakone, esimerkiksi polttomoottori, joka muuttaa lämpöä työksi. Carnot'n kierto on hyötysuhteeltaan parhaan mahdollisen lämpövoimakoneen malli.
Työn käsite vakiintui mekaniikkaan 1800-luvulla. Ranskalainen insinööri Gaspard-Gustave Coriolis otti termin ranskankielisen termin "quantité de travail" eli "työn määrä" käyttöön nykymerkityksessään 1820-luvulla. Energian säilymislaki sekä työn ja lämmön vastaavuus kehitettiin samoihin aikoihin 1800-luvun alkupuoliskolla.
Mekaaninen työ.
Vakiovoiman tekemä työ.
Yksinkertaisimmillaan työ on voiman kappaleen siirtämiseksi tekemää "mekaanista työtä". Vakiosuuruisen voiman formula_1 kappaleeseen tekemä työ sen siirtyessä suoraviivaisesti pisteestä A pisteeseen B on 
formula_2,
missä formula_3 on kappaleen siirtymä matka. Mitä pidempi matka kappaletta siirretään, tai mitä suurempaa voimaa kappaleen siirtämiseksi käytetään, sitä suurempi on tehty työ.
Työtä voidaan tehdä esimerkiksi kappaleen nostamiseksi. Jos punnuksen massa on 1 kilogramma, siihen vaikuttavan painovoiman suuruus on noin 10 newtonia. Kun punnus nostetaan 2 metrin korkeudelle, on painovoiman voittamiseksi tehtävä työtä vähintään
formula_4,
missä energian yksikkö joule vastaa yhtä newtonmetriä. (1 J = 1 N·m). Saman kappaleen nostamiseksi kaksinkertaiselle korkeudelle tai kaksi kertaa painavamman kappaleen nostamiseksi samalle korkeudelle täytyy tehdä kaksinkertainen työ.
Kappaleen pitämiseksi paikoillaan tietyllä korkeudella ei tarvitse tehdä työtä sanan fysikaalisessa merkityksessä. Niinpä esimerkiksi punnuksen roikkuessa köyden varassa, köysi ei tee siihen työtä. Ihminen kuitenkin väsyy pitäessään raskasta punnusta paikoillaan ilmassa käsiensä varassa, sillä käsien lihassäikeet eivät pysy staattisena, vaan tekevät työtä jatkuvasti supistuessaan ja rentoutuessaan. Tämä työ ei kuitenkaan kohdistu punnukseen, vaan käden osasta toiseen.
Yllä voiman oletettiin olevan siirtymän suuntainen. Jos näin ei ole, lasketaan työ pistetulona 
formula_5,
missä formula_6 on kappaleeseen vaikuttava voimavektori, formula_7 on sen siirtymä alkupisteestä formula_8 loppupisteeseen formula_9, ja formula_10 on voiman ja siirtymän välinen kulma. Voimalle, joka on samansuuntainen kappaleen liikesuunnan kanssa, formula_11 ja työn etumerkki on positiivinen: voima tekee tällöin "positiivista" työtä, pyrkien kasvattamaan kappaleen liike-energiaa. Kappaleen liikesuunnan kanssa vastakkainsuuntaiselle voimalle sen sijaan formula_12, jolloin voima tekee "negatiivista" työtä ja jarruttaa kappaletta. 
Sen sijaan voima, joka vaikuttaa liikettä vastaan kohtisuoraan, ei tee työtä, sillä formula_13. Esimerkiksi tukivoimat eivät tee työtä kappaleen liikkuessa tasoa pitkin. Vaikka voima ei tekisikään työtä, se voi kuitenkin muuttaa kappaleen liikesuuntaa: ympyräradalla liikkuvaan kappaleeseen vaikuttava keskihakuvoima ei tee työtä jos radan säde pysyy vakiona.
Työ–energiaperiaate yhdelle hiukkaselle.
Työn määritelmä voidaan perustella tarkastelemalla yksittäiseen hiukkaseen vaikuttavan voiman aikaansaamaa liike-energian muutosta. "Hiukkasella" tarkoitetaan tässä kappaletta, jolla ei ole minkäänlaista sisäistä rakennetta, joka voisi varastoida tai vapauttaa energiaa, vaan jonka energia määräytyy yksinomaan sen nopeuden ja paikan perusteella. Hiukkasen liike-energia on
formula_14,
missä formula_15 on hiukkasen massa ja formula_16 on sen nopeus. Liike-energian muutos pienellä aikavälillä formula_17 vastaa differentiaalia
formula_18,
missä toisessa vaiheessa käytettiin dynamiikan peruslakia, formula_19, ja tunnistettiin formula_20 hiukkasen differentiaaliseksi siirtymäksi. Yllä formula_6 on hiukkaseen vaikuttava kokonaisvoima, ja formula_22 on hiukkasen nopeusvektori. Integroimalla tämä lauseke hiukkasen kulkeman polun yli, saadaan "työ–energiaperiaate", 
formula_23,
jonka mukaan hiukkasen liike-energian muutos vastaa siihen vaikuttavan kokonaisvoiman tekemää työtä. Tässä formula_24 ja formula_25 ovat kappaleen liike-energiat prosessin alku- ja loppuhetkellä, ja kokonaisvoiman tekemä työ määritellään viivaintegraalina
formula_26.
Jos vaikuttava voima pysyy vakiona koko prosessin ajan, integraalimääritelmä pelkistyy tuloksi formula_27, missä formula_7 on hiukkasen siirtymävektori.
Samoin kuin voimia, voidaan töitä laskea yhteen: Jos hiukkaseen vaikuttaa useita voimia, siten että kokonaisvoima on formula_29, voidaan hiukkaseen tehty työ laskea yksittäisten voimien tekemän työn summana:
formula_30,
missä formula_31 on formula_32:nnen voiman hiukkaseen tekemä työ. 
Konservatiiviset ja dissipatiiviset voimat.
Yllä annettu muoto työ–energiaperiaatteesta ei ole ainoa mahdollinen, vaan se voidaan esittää eri muodossa jakamalla hiukkaseen vaikuttavat voimat kolmeen luokkaan: konservativiisiin, dissipatiivisiin ja ulkoisiin voimiin. Kokonaistyö saadaan näihin luokkiin kuuluvien voimien summana:
 formula_33.
Voimaa, jonka tekemä työ ei riipu kappaleen kulkemasta polusta kutsutaan "konservatiiviseksi voimaksi." Konservatiivisen voiman tekemä työ voidaan ilmaista yksinkertaisesti hiukkasen loppu- ja alkupaikkaan liittyvien potentiaalienergioiden erotuksena
"formula_34."
Konservatiivinen voima on potentiaalin formula_35 gradientin vastaluku:
formula_36.
Yhtäpitävästi yllä annetun määritelmän kanssa oltaisiin voitu määritellä että voima, joka ei tee työtä suljetun polun yli, on konservatiivinen. Konservatiivisia voimia ovat esimerkiksi painovoima, sähköstaattinen voima ja Hooken lain mukainen jousivoima. Kaikki perusvuorovaikutukset ovat konservatiivisia. Potentiaaliin liittyvää energiaa kutsutaan hiukkasen potentiaalienergiaksi.
Systeemissä, jossa ei ole kitkavoimia ja johon ei vaikuta mikään ulkoinen voima, potentiaalienergia voi muuttua liike-energiaksi, ja takaisin. Vapaasti heiluvassa heilurissa tämä prosessi tapahtuu edestakaisin niin kauan kunnes kitkavoimat pysäyttävät sen: ylä-asennossa sillä ei ole lainkaan liike-energiaa, kun taas potentiaalienergia on silloin suurimmaan. Ala-asennossa heilurin potentiaalienergia puolestaan on pienimmillään ja liike-energia suurimmillaan. Heilurissa liike- ja potentiaalienergiat muuttuvat jatkuvasti, mutta sen "mekaaninen energia" eli liike-energian ja potentiaalienergian summa
formula_37,
pysyy vakiona. 
Kun hiukkaseen vaikuttaa dissipatiivisia voimia, voidaan työ–energiaperiaate esittää muodossa
formula_38.
"Dissipatiiviset voimat" ovat kitkavoimia ja muita vastusvoimia, jotka kuluttavat systeemin mekaanista energiaa. Kitkavoimien johdosta mekaaninen energia muuttuu lämpöenergiaksi.
Monen hiukkasen systeemi.
Yllä on käsitelty tapausta, jossa yksittäinen hiukkanen liikkuu ulkoisessa potentiaalissa. Työ-energiaperiaate yleistyy suoraviivaisesti myös usean hiukkasen systeemeihin, jolloin systeemin kokonaisliike-energia on systeemin kaikkien hiukkasten liike-energioiden summa:
formula_39,
missä formula_40 on formula_32:nnen hiukkasen liike-energia. Kokonaisliike-energia koostuu kahdesta osasta, hiukkasten massakeskipisteen liike-energiasta, sekä yksittäisten hiukkasten suhteellisesta liike-energiasta massakeskipisteen suhteen.
Monen hiukkasen systeemissä potentiaalienergia formula_35 sisältää hiukkasiin vaikuttavan ulkoisen potentiaalin lisäksi myös ne hiukkasten väliset vuorovaikutukset, jotka voidaan esittää potentiaalin avulla. Näin määriteltynä työ–energiaperiaate pätee yllä annetussa muodossa.