能 量
能量（Energy）是物质所具有的基本物理属性之一，是物质运动的统一量度。
能量的英文“Energy”一字源于希腊语：Éνέργεια，该字首次出现在公元前4世纪亚里士多德的作品中。伽利略时代已出现了“能量”的思想，但还没有“能”这一术语。能量概念出自于17世纪莱布尼茨的“活力”想法，定义于一个物体质量和其速度的平方的乘积，相当于今天的动能的两倍。为了解释因摩擦而令速度减缓的现象，莱布尼茨的理论认为热能是由物体内的组成物质随机运动所构成，而这种想法和牛顿一致，虽然这种观念过了一个世纪后才被普遍接受。
能量（Energy）这个词是T.杨于1807年在伦敦国王学院讲自然哲学时引入的，针对当时的“活力”或“上升力”的观点，提出用“能量”这个词表述，并和物体所做的功相联系，但未引起重视，人们仍认为不同的运动中蕴藏着不同的力。1831年法国学者科里奥利又引进了力做功的概念，并且在“活力”前加了1/2系数，称为动能，通过积分给出了功与动能的联系。1853年出现了“势能”，1856年出现了“动能”这些术语。直到能量守恒定律被确认后，人们才认识到能量概念的重要意义和实用价值。
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；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；光子运动对应的能量形式是光能。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。对应于物质的各种运动形式，能量有各种不同的形式。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，广义上它是系统内所有分子无规则运动的分子动能、分子间相互作用的分子势能、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。对于内能，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）。此外，各种场也具有能量。
机械能、化学能、内能、电（磁）能、辐射能、核能等不同类型的能量之间相互转化的方式多种多样。例如，最常见的电能（交流电和电池）可以由多种其他形式的能量转变而来，如机械能–电能的转变（水力发电）、核能–内能–机械能–电能的转变（核能发电）、化学能–电能的转变（电池）等。总之，我们的生活需要能量，让我们一起努力，为将来注入更多的能量。
表4.1.1 分层学习要求
前面我们已经学习了很多种能量，运动的足球具有动能，被拉伸的弹簧具有弹性势能（见图4.1.1）。高处的物体具有重力势能，每天吃的食物含有化学能，还有在学习内能时，我们知道一切物体都具有内能。在认识了各种能量以后，我们就来进一步认识不同能量之间的联系。
图4.1.1 常见的能量形式
自然界中的能量不仅可以从一个物体转移到其他物体，而且在一定条件下，形式不同的能量之间还可以相互转化。汽车发动机工作时，汽油的化学能转化为汽车的机械能；电池工作时，化学能转化为电能；过年过节燃放的烟花爆竹将化学能转化为内能和光能。而我们在生产、生活、工作中同样也是不断的将一种能量转化为另一种能量，从能量利用和转化的角度来讲，现代化的生活就是以电能为中心的能量转化和利用的过程，如图4.1.2所示是生活中的电能使用方式，我们生活中的餐饮、交通、洗衣、照明等都是电能的利用。
1.为什么说电能是最方便的“能量”？
图4.1.2 生活中的电能
除了上面介绍的能量以外，还有其他各种形式的能量，能量的形式很多，但是追根溯源，都来自太阳。太阳的辐射，向地球传递了巨大的能量。正如前面所说，能量的转化和转移一直是人们研究的重要问题，长期以来人们一直也想找到一种机械，能无损耗地将一种能量转化为另一种形式的能量，或者全部从一个物体转移到另外一个物体，更有人希望在转化和转移的过程中能获得多于原来的能量。由此而来一些人开始设计了所谓的永动机。
能量守恒定律
但是科学家的思维是严谨、科学的，他们从事实出发，结合相关理论和多次实验最终得到广为人知的且更具有普遍性的结论——能量守恒定律：
能量既不能创造，也不会消灭；当能量从一个物体转移到其他物体或从一种形式转化为其他形式时，总量不变。这称为能量守恒定律。
能量守恒定律的诞生帮助很多人们解答了心中的困惑，所有能量的转化和转移都必须遵循能量守恒定律。如图4.1.3所示，在快闪相机下拍摄的从一定高度下落的小球，从拍摄的照片可以看出，弹跳的小球受到空气阻力的作用，高度越来越低，小球的机械能越来越小，而减小的机械能正是通过小球和空气之间的摩擦转化成内能。如果把小球的机械能与摩擦产生的内能相加，其总量依然不变，到最后小球静止在地面上，机械能就全部转化为内能，最初的机械能和最终的内能的大小一样，这正是能量守恒定律所阐述的内容。
2.说说能量守恒定律的含义？
图4.1.3 弹跳的小球
现在我们已经学习了能量守恒定律，现在再回过头来看看前面有些人提到的永动机，他们希望借助于永动机，在不消耗能量的情况下，不断地做功下去，那接下来我们就看看图4.1.4所示的两种永动机。
3.永动机什么不能实现？
图4.1.4 两种永动机“经典”模型(www.xing528.com)
左边图中的永动机是希望借助于小球，让小球的重力势能和动能能够源源不断地转化下去，从而让整个装置一直转动下去，但是小球的机械能在转化的过程中有一部分能量会转化成中间转盘的动能，以及轮轴之间、整个装置与空气之间摩擦的内能等，所以小球的机械能是在不断变小的，直到最终完全停下来，机械能全部转化为内能。我们假设该装置能永远匀速转动下去，整个装置的机械能守恒，最初的机械能等于运动过程中任一时间和空间中的机械能，机械能总量保持不变，但是刚刚分析所产生的内能又从哪里来呢？能量守恒定理告诉我们这是不可能实现的。对于右图所示的永动机模型，也是不可行的。因此，永动机违背了能量守恒定律，因此永动机永远不可能实现。
关于永动机模型的提出有各式各样，图4.1.5给出了一位“发明家”设计出的永动机，现在大家已经学习能量守恒定律，你们能分析一下这种永动机失败的原因吗？
图4.1.5 “永动机”模型
4.能量转化的方向性指的是什么？
能量的转化和转移无处不在，然而许多情况，虽然并不违背能量守恒定律，如图4.1.6所示，瀑布从高处下落到低处，这正是我们常说的水往低处流，水的重力势能转化为动能，但是水并不能自发地或者说是自动从低处流往高处。由此看来，能量的流向并不能随意，我们说能量的转化具有方向性。
图4.1.6 瀑布景观
再比如汽车发动机在燃烧汽油时，有一部能量是转化成内能释放到空气中，如果有一辆车从成都出发到达北京后马上返程，能否从空中已排放的尾气中吸收能量，不再消耗新的燃料情况下返回成都呢？枯萎的花能否自发地从空气中吸收能量和水分，重焕青春呢？很明显以上的过程不能实现，这是为什么呢？科学家经过研究得出：如果某个过程涉及了热量，能量的转化和转移，就将是“覆水难收”，无法自发地沿反方向发生，除非我们耗费额外的能量提供帮助。现实生活中很多能量的转化过程中都会消耗一部分能量转化为内能，而产生的这部分内能无法自发地被我们利用，这就导致了对能量的利用不能达到 100%，为了把能量的利用进行定量的描述，我们引入能量转化效率这个物理量。
能量转化的方向性和效率
从能量转化效率这个公式可以看出，因为输出无效能量总是存在的，因此能量转化效率η小于100%。为了更好地理解这个公式，我们可以拿生活中很常见的例子来分析，比如妈妈在燃气灶上炖菜。对于我们而言，我们总是希望燃气的化学能能够全部转化并传递给锅里的水和食物。但是在炖菜过程中，有一部分热量会传递给炉灶、锅以及散发到周围的大气中。如果把天然气完全燃烧释放放出的化学能称为输入能量，把锅内的水和食物吸收的能量称为输出有效能量，最后传递给炉灶、锅以及散发到周围的大气中的能量称为输出无效能量，根据前面所讲的能量守恒定律，我们可以得到下面关系：
5.能量转化效率为什么一定小于100%？
热力学第二定律
热力学第二定律（Second law of thermodynamics），热力学基本定律之一，克劳修斯表述为：热量不能自发地从低温物体转移到高温物体。开尔文表述为：不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响。熵增原理：不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。在自然过程中，一个孤立系统的总混乱度（即“熵”）不会减小。
1824年，法国工程师萨迪·卡诺提出了卡诺定理。德国人克劳修斯（Rudolph Clausius）和英国人开尔文（Lord Kelvin）在热力学第一定律建立以后重新审查了卡诺定理，意识到卡诺定理必须依据一个新的定理，即热力学第二定律。他们分别于1850年和1851年提出了克劳修斯表述和开尔文表述。这两种表述在理念上是等价的。
克劳修斯表述：不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。
英国物理学家开尔文（原名汤姆逊）在研究卡诺和焦耳的工作时，发现了某种不和谐：按照能量守恒定律，热和功应该是等价的，可是按照卡诺的理论，热和功并不是完全相同的，因为功可以完全变成热而不需要任何条件，而热产生功却必须伴随有热向冷的耗散。他在1849年的一篇论文中说：“热的理论需要进行认真改革，必须寻找新的实验事实。”同时代的克劳修斯也认真研究了这些问题，他敏锐地看到不和谐存在于卡诺理论的内部。他指出卡诺理论中关于热产生功必须伴随着热向冷的传递的结论是正确的，而热的量（即热质）不发生变化则是不对的。克劳修斯在1850年发表的论文中提出，在热的理论中，除了能量守恒定律以外，还必须补充另外一条基本定律：“没有某种动力的消耗或其他变化，不可能使热从低温转移到高温。”这条定律后来被称作热力学第二定律。
开尔文表述：不可能制成一种循环动作的热机，从单一热源取热，使之完全变为功而不引起其它变化。这是从能量消耗的角度说的。开尔文表述还可以表述成：第二类永动机不可能实现。
开尔文的表述更直接指出了第二类永动机的不可能性。所谓第二类永动机，是指某些人提出的例如制造一种从海水吸取热量，利用这些热量做功的机器。这种想法，并不违背能量守恒定律，因为它消耗海水的内能。大海如此广阔，整个海水的温度只要降低一点点，释放出的热量就是天文数字，对于人类来说，海水是取之不尽、用之不竭的能量源泉，因此这类设想中的机器被称为第二类永动机。而从海水吸收热量做功，就是从单一热源吸取热量使之完全变成有用功并且不产生其他影响，开尔文的说法指出了这是不可能实现的，也就是第二类永动机是不可能实现的。
熵增加原理：孤立系统的熵永不自动减少，熵在可逆过程中不变，在不可逆过程中增加。熵增加原理是热力学第二定律的又一种表述，它比开尔文、克劳修斯表述更为概括地指出了不可逆过程的进行方向；同时，更深刻地指出了热力学第二定律是大量分子无规则运动所具有的统计规律，因此只适用于大量分子构成的系统，不适用于单个分子或少量分子构成的系统。
定律的其他表述：
“不可存在一个机器，在循环动作中把以重物升高而同时使一热库冷却。”
“对于一个有给定能量，物质组成，参数的系统，存在这样一个稳定的平衡态：其他状态总可以通过可逆过程达到之。”
可以论证，这些表述与克劳修斯表述以及开尔文表述是等价的。
热力学第二定律说明：热量可以自发地从较热的物体传递到较冷的物体，但不可能自发地从较冷的物体传递到较热的物体（克劳修斯表述）；也可表述为：两物体相互摩擦的结果使功转变为热，但却不可能将这摩擦热重新转变为功而不产生其他影响。对于扩散、渗透、混合、燃烧、电热和磁滞等热力过程，虽然其逆过程仍符合热力学第一定律，但不能自发地发生。热力学第一定律未解决能量转换过程中的方向、条件和限度问题，这恰恰是由热力学第二定律所规定的。
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