ენერგია

ამ სტატიას ამჟამად აქტიურად არედაქტირებს Anry.kiknavelidze. გთხოვთ, ნუ შეიტანთ მასში ცვლილებებს, სანამ ეს განცხადება არ გაქრება. წინააღმდეგ შემთხვევაში, შესაძლოა, მოხდეს რედაქტირების კონფლიქტი. ეს შეტყობინება სტატიაში მხოლოდ ერთი კვირის განმავლობაში შეიძლება დარჩეს. თარგის ჩასმის თარიღი: თებერვალი 16, 2025. მიმდინარეობს სტატიის აქტიური დამუშავება. მომხმარებლის სახელის და თარიღის ავტომატურად მისათითებლად, გამოიყენეთ თარგი {{subst:მუშავდება}}

ენერგია (ძვ. ბერძნ. ἐνέργεια [აქტივობა]) — კონკრეტული ფიზიკური თვისება, რომელიც გადაეცემა სხეულს ან სისტემას და ვლინდება სამუშაოს შესრულებაში, 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).

ელვა არის ჰაერის ელექტრული გარღვევის მოვლენა გამოწვეული ძლიერი ელექტრული ველით. ამ დროს ელექტრული ველის პოტენციური ენერგია გარდაიქმნება სითბოდ, სინათლედ და ბგერად რომლებიც ენერგიის განსხვავებულ ფორმას წარმოადგენს.

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

ტიპიური ელვის დარტყმისას, 500 მეგაჯოული პოტენციური ელექტრული ენერგია გარდაიქმნება იმავე რაოდენობის ენერგიად სხვა ფორმებში, ძირითადად სინათლის, ბგერის და თერმული ენერგიის სახით.

თერმული ენერგია წარმოადგენს მატერიის მიკროსკოპული შემადგენლების ენერგიას, რომელიც შეიძლება მოიცავდეს როგორც კინეტიკურ, ასევე პოტენციურ ენერგიას.

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 ტიპი	აღწერა
მექანიკური	მაკროსკოპული ტრანსლაციური, როტაციული კინეტიკური და პოტენციური ენერგიის ჯამი
ელექტრული	პოტენციური ენერგია, რომელიც დაკავშირებულია ელექტრულ ველებთან ან მათშია შენახული
მაგნიტური	პოტენციური ენერგია, რომელიც დაკავშირებულია მაგნიტურ ველებთან ან მათშია შენახული
გრავიტაციული	პოტენციური ენერგია, რომელიც დაკავშირებულია გრავიტაციულ ველებთან ან მათშია შენახული
ქიმიური	პოტენციური ენერგია, რომელიც დაკავშირებულია ქიმიურ ბმებთან
იონიზაციის	პოტენციური ენერგია, რომელიც ბოჭავს ელექტრონს მის ატომთან ან მოლეკულასთან
ბირთვული	პოტენციური ენერგია, რომელიც ბოჭავს ნუკლონებს, რათა შეიქმნას ატომის ბირთვი (და ბირთვული რეაქციები)
ქრომოდინამიკური	პოტენციური ენერგია, რომელიც ბოჭავს კვარკებს, რათა ჩამოყალიბდეს ჰადრონები
ელასტიკური	პოტენციური ენერგია, რომელიც წარმოიქმნება მასალის (ან მისი კონტეინერის) დეფორმაციისას და აღდგენის ძალით უბრუნდება პირვანდელ ფორმას
მექანიკური ტალღა	კინეტიკური და პოტენციური ენერგია ელასტიკურ მასალაში, რომელიც გამოწვეულია რხევის გავრცელებით
ბგერითი ტალღა	კინეტიკური და პოტენციური ენერგია მასალაში, რომელიც გამოწვეულია ბგერის გავრცელებული ტალღით (მექანიკური ტალღის სპეციფიკური სახე)
რადიაციული	პოტენციური ენერგია, რომელიც ინახება ელექტრომაგნიტური გამოსხივების ველებში, მათ შორის სინათლე
დასვენების	პოტენციური ენერგია, რომელიც დამოკიდებულია ობიექტის უძრაობის მასაზე
თერმული	კინეტიკური ენერგია მიკროსკოპული ნაწილაკების მოძრაობის შედეგად, მექანიკური ენერგიის უწესრიგო ეკვივალენტი

ისტორია

თომას იანგი, პირველი ადამიანი, ვინც ტერმინი „ენერგია“ თანამედროვე მნიშვნელობით გამოიყენა

ტერმინი ენერგია მომდინარეობს სიტყვიდან ძვ. ბერძნ. ἐνέργεια [ენერგეია] — „მოქმედება, ოპერაცია“, 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 ლათ. vis viva, 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. ნეტერის 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

ჯოულის აპარატი მექანიკური მუშაობის სითბოს ექვივალენტად გაზომვისთვის. ძირს დაშვებული ტვირთი, რომელიც თოკზეა მიმაგრებული, იწვევს წყალში ჩაშვებული ფრთოსანის ბრუნვას.

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.

$W=\int _{C}\mathbf {F} \cdot \mathrm {d} \mathbf {s}$

ეს ფორმულა აღნიშნავს, რომ მუშაობა ($W$) ტოლია F ძალის ხაზობრივი ინტეგრალისa 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 ჰამილტონურად 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.

ენერგიასთან დაკავშირებული კიდევ ერთი კონცეფცია არის ლაგრანჟის მექანიკა, რომელიც ჟოზეფ ლუი ლაგრანჟის სახელს ატარებს. ეს ფორმალიზმი ისეთივე ფუნდამენტურია, როგორც ჰამილტონური 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 მოქმედების 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

ენერგიისა და ადამიანის სიცოცხლის დამოკიდებულების საბაზისო ილუსტრაცია

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.

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: $${\ce {C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O}}$$ $${\ce {C57H110O6 + (81 1/2) O2 -> 57CO2 + 55H2O}}$$ 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:

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“). 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, 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: $E=h\nu$ (სადაც $h$ არის პლანკის მუდმივა, ხოლო $\nu$ – 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: $$E_{0}=m_{0}c^{2},$$ სადაც

• m₀ არის სხეულის უძრაობის მასა,
• c არის სინათლის სიჩქარე ვაკუუმში,
• $E_{0}$ 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	აღწერა
სითბო	თერმული ენერგიის თანაბარი რაოდენობა გადაადგილებაში, რომელიც სპონტანურად მიემართება დაბალი ტემპერატურის მქონე ობიექტისკენ
მუშაობა	თანაბარი რაოდენობის ენერგია გადაადგილებაში, რომელიც გამოწვეულია ძალის მოქმედების მიმართულებით წანაცვლებით
მასალის გადაცემა	თანაბარი რაოდენობის ენერგია, რომელსაც ნივთიერება ატარებს ერთი სისტემიდან მეორეში გადაადგილებისას

ტურბოგენერატორი წნევის ქვეშ მყოფი ორთქლის ენერგიას ელექტროენერგიად გარდაქმნის.

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 ($E_{p}$) კინეტიკურ ენერგიაში ($E_{k}$) 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: $$E_{pi}+E_{ki}=E_{pF}+E_{kF}$$

შემდეგ ეს განტოლება შეიძლება კიდევ გამარტივდეს, რადგან $E_{p}=mgh$ (მასა გამრავლებული გრავიტაციულ აჩქარებაზე და სიმაღლეზე) და ${\textstyle E_{k}={\frac {1}{2}}mv^{2}}$ (ნახევარი მასა გამრავლებული სიჩქარის კვადრატზე). საბოლოოდ, ენერგიის საერთო რაოდენობა განისაზღვრება $E_{p}+E_{k}=E_{\text{total}}$ 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 $c^{2}$ 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 (~ 7016900000000000000♠9×10¹⁶ ჯოული, 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 კანონზომიერება

ფაქტი, რომ ენერგია ვერ შეიქმნება და ვერ განადგურდება, ცნობილია როგორც ენერგიის შენახვის კანონი. თერმოდინამიკის პირველი კანონის ფორმით, ეს გულისხმობს, რომ ჩაკეტილი სისტემის ენერგია უცვლელია, თუ ენერგია არ გადაიცემა (მუშაობის) ან სითბოს სახით და თუ გადაცემისას არ იკარგება ენერგია. სისტემაში შემავალი ენერგიის საერთო რაოდენობა უნდა უდრიდეს სისტემიდან გამოსული ენერგიის მთლიან რაოდენობას პლუს სისტემის შიგნით არსებული ენერგიის ცვლილებას. როდესაც იზომება (ან ითვლება) ისეთი ნაწილაკების სისტემის მთლიანი ენერგია, რომელთა ურთიერთქმედება არ არის პირდაპირ დამოკიდებული დროზე, აღმოჩნდება, რომ სისტემის მთლიანი ენერგია ყოველთვის უცვლელი რჩება.

მიუხედავად იმისა, რომ იდეალური აირის შექცევად იზოთერმულ გაფართოებაში სითბოს შეიძლება სრულად გადაქცევა შრომად, სითბური ძრავების ციკლურ პროცესებში თერმოდინამიკის მეორე კანონი გულისხმობს, რომ სისტემამ, რომელიც ასრულებს შრომას, ყოველთვის კარგავს გარკვეულ ენერგიას როგორც მოწყლული სითბო. ეს ქმნის ლიმიტს იმ სითბური ენერგიის რაოდენობისთვის, რომელსაც შეუძლია შრომის შესრულება ციკლურ პროცესში; ეს ლიმიტი ცნობილია როგორც ხელმისაწვდომი ენერგია. მექანიკური და სხვა სახის ენერგია კი შეიძლება გარდაიქმნას თერმულ ენერგიად ასეთი შეზღუდვის გარეშე. სისტემის მთლიანი ენერგია შეიძლება გამოითვალოს სისტემაში არსებული ყველა ენერგიის ჯამით.

რიჩარდ ფეინმანმა 1961 წლის ლექციაზე განაცხადა:

არსებობს ერთი ფაქტი, ან, თუ გნებავთ, კანონი, რომელიც მართავს ყველა ბუნებრივ მოვლენას, რაც დღემდე ცნობილია. ამ კანონიდან არ არსებობს არც ერთი ცნობილი გამონაკლისი – ის აბსოლუტურად ზუსტია, რამდენადაც ჩვენთვის ცნობილია. ეს კანონი ეწოდება ენერგიის კანონზომიერება. ის აცხადებს, რომ არსებობს გარკვეული რაოდენობა, რომელსაც ჩვენ ენერგიას ვუწოდებთ, რომელიც არ იცვლება ბუნებაში მიმდინარე მრავალფეროვანი ცვლილებების დროს. ეს ყველაზე აბსტრაქტული იდეაა, რადგან ის მათემატიკური პრინციპია; ის ამბობს, რომ არსებობს რიცხვითი რაოდენობა, რომელიც არ იცვლება, როდესაც რაღაც ხდება. ეს არ არის მექანიზმის აღწერა ან რაიმე კონკრეტული რამ; ეს უბრალოდ უცნაური ფაქტია, რომ შეგვიძლია გამოვთვალოთ რიცხვი და როდესაც დავასრულებთ ბუნების ხილვას, კვლავ დავთვლით და რიცხვი იგივე რჩება.

— ფეინმანის ლექციები ფიზიკაში

ენერგიის უმეტესობა (გრავიტაციული ენერგიის გამონაკლისის გარდა) ექვემდებარება მკაცრ ლოკალურ კანონზომიერებებსაც. ამ შემთხვევაში, ენერგია შეიძლება მხოლოდ სივრცის მომიჯნავე რეგიონებს შორის გადაეცეს, ხოლო ყველა დამკვირვებელი თანხმდება მოცემულ სივრცეში მოცულობითი ენერგიის სიმკვრივეზე. ასევე არსებობს ენერგიის გლობალური კანონზომიერება, რომლის მიხედვითაც სამყაროს მთლიანი ენერგია არ შეიძლება შეიცვალოს; ეს ლოკალური კანონის შედეგია, მაგრამ პირიქით – არა.

ეს კანონი ფიზიკის ფუნდამენტური პრინციპია. ნეტერის თეორემის მიხედვით, ენერგიის კანონზომიერება მათემატიკური შედეგია დროის გარდამავალი სიმეტრიის, რომელიც გულისხმობს, რომ ფიზიკური მოვლენები არ არის დამოკიდებული დროში მათ მდებარეობაზე. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, გუშინ, დღეს და ხვალ ფიზიკურად ერთმანეთისგან განუყოფელია. ეს იმიტომ, რომ ენერგია ის რაოდენობაა, რომელიც კანონიკურად შეწყვილებულია დროსთან. ენერგიასა და დროს შორის ამ მათემატიკურ კავშირს ასევე მივყავართ გაურკვევლობის პრინციპამდე – შეუძლებელია ზუსტი ენერგიის განსაზღვრა რაიმე მკაფიო დროის შუალედში. თუმცა, ეს პრაქტიკულად მნიშვნელოვანი ხდება მხოლოდ ძალიან მცირე დროის შუალედებისთვის.

ბუნების თითოეული ფუნდამენტური ძალა დაკავშირებულია პოტენციური ენერგიის განსხვავებულ ტიპთან, და ყველა სახის პოტენციური ენერგია (ისევე როგორც ყველა სხვა სახის ენერგია) ჩნდება სისტემის მასას სახით. მაგალითად, შეკუმშული ზამბარა ოდნავ უფრო მასიური იქნება, ვიდრე შეკუმშვამდე. ასევე, როდესაც ენერგია გადაეცემა სისტემებს შორის, მასთან ერთად გადადის მასის შესაბამისი რაოდენობაც.

კვანტურ მექანიკაში ენერგია გამოიხატება ჰამილტონის ოპერატორით. ნებისმიერი დროის შუალედზე ენერგიის გაურკვევლობა გამოიხატება ფორმულით:

$\Delta E\Delta t\geq {\frac {\hbar }{2}}$

ეს ტოლობა საშუალებას იძლევა ვირტუალური ნაწილაკების არსებობის გაგებისთვის, რომლებიც იმპულსის ატარებენ.