エネルギー
熱力学において、ある条件の元で仕事として取り出すことのできるエネルギーとして自由エネルギーが定義される。自由エネルギーには、ヘルムホルツの自由エネルギーとギブズの自由エネルギーの 2 つがある。ヘルムホルツの自由エネルギーは等温操作によって熱力学系から得られる仕事の最大値として定義される。ギブズの自由エネルギーは等温等圧操作によって得られる仕事の最大値を与える。
自由エネルギーは、適切な変数の下では平衡状態の熱力学系のすべての情報を持った関数、すなわち熱力学ポテンシャルとなる。また、平衡状態は自由エネルギーが極小である状態として実現する。このように、自由エネルギーは理論的な道具として良い性質を持った量である。
一方、工学などの応用領域においては、熱力学系で仕事に寄与する有効エネルギーのみに意味があり、それを評価する量としてエクセルギーが考案されている。反対に、熱力学系の仕事に寄与せず捨てられる無効エネルギーをアネルギーと呼ぶ。カルノー効率によれば、エクセルギーとアネルギーの発生割合は、高温側の熱源と低温側の熱源の温度比のみで規定されている。
人類が最初に利用したエネルギー源は火である。メソポタミア文明の時代にはすでに水のエネルギー(水力)を利用するために水車が作られており、また風のエネルギーを使用する帆船も移動手段として古代から存在していた。やがて風車が作られることで、移動以外の動力にも風が利用できるようになった。18世紀までは主要なエネルギー源はこういった自然のエネルギーのほか、薪、炭、鯨油などといったものが主であったが、18世紀に入るとイギリスで石炭の利用法の改良が行われ、次いで1765年、ジェームズ・ワットが蒸気機関の改良を行った。これは人類の利用できるエネルギーに革新をもたらし、産業革命の原動力となった。その後、電気エネルギーの実用化が始まり、20世紀に入ると石炭に変わって石油が主に用いられるようになり、また核燃料を利用する原子力エネルギーが実用化された。
2018年には世界のエネルギー消費量は138.6億トンに達し、石油が34%、石炭が27%、天然ガスが24%を占め、8割以上が化石燃料由来のエネルギーとなっている。
エネルギー消費の構成が急激に大きく変化すること、特に第二次世界大戦後の石炭から石油への急激なエネルギー源の転換などを指して、エネルギー革命と言う。