En af de grundlæggende love i universet er, at energi hverken skabes eller ødelægges - den ændrer kun former. Derfor findes der mange formler for energi. For at forstå, hvordan disse formler er udtryk for den samme ting, er det vigtigt først at forstå, hvad fysikere mener, når de taler om energi. Det er en forestilling forankret i begreberne klassisk fysik som belyst af Sir Isaac Newton.
Formlen for bevægelsesenergi er:
KE = 0,5 \ gange m \ gange v ^ 2
hvor KE er kinetisk energi i joule, m er masse i kg og v er hastighed i meter pr. sekund.
Tving og arbejde
Newtons tre bevægelseslove danner grundlaget for klassisk fysik. Den første lov definerer kraft som den, der forårsager bevægelse, og den anden lov vedrører kraften, der virker på et objekt, til den acceleration, den gennemgår. Hvis en kraft (F) accelererer et legeme gennem en afstand (d), udfører det en mængde arbejde (W) svarende til kraften ganget med afstanden gange en faktor, der tegner sig for vinklen mellem dem (θ, det græske bogstav theta). Som et matematisk udtryk betyder dette:
W = Fd \ cos {\ theta}
De metriske enheder for kraft er newton, de for afstand er meter og de for arbejde er newton-meter eller joule. Energi er kapaciteten til at udføre arbejde, og det udtrykkes også i joule.
Kinetisk og potentiel energi
Et objekt i bevægelse har sin bevægelsesenergi, hvilket svarer til det arbejde, der kræves for at bringe det til hvile. Dette kaldes dets kinetiske energi, og det afhænger af kvadratet af objektets hastighed (v) såvel som halvdelen af dets masse (m). Et objekt i ro i Jordens tyngdefelt har potentiel energi i kraft af dets højde; hvis det faldt frit, ville det få kinetisk energi svarende til denne potentielle energi. Potentiel energi afhænger af genstandens masse, dens højde (h) og accelerationen på grund af tyngdekraften (g). Matematisk er dette:
PE = mgh
Elektrisk energi
Beregningen af energi i elektriske systemer afhænger af mængden af strøm, der strømmer gennem en leder (I) i ampere såvel som på det elektriske potentiale eller spænding (V), der driver strømmen, ind volt. Multiplikation af disse to parametre giver strømmen af elektricitet (P) i watt og multiplicering af P med tiden hvorunder strømmen strømmer (t) i sekunder giver mængden af elektrisk energi i systemet, i joules. Det matematiske udtryk for elektrisk energi i et ledende kredsløb er:
E_e = Pt = VIt
Ifølge dette forhold bruger 6.000 joule energi at lade en 100-watt pære brænde i et minut. Dette svarer til den mængde kinetisk energi, en sten på 1 kg ville have, hvis du tabte den fra en højde på 612 meter (ignorerer luftfriktion).
Nogle andre former for energi
Det lys, vi ser, er et elektromagnetisk fænomen, der har energi i kraft af vibrationerne af bølgepakker kaldet fotoner. Den tyske fysiker Max Planck fastslog, at energien i en foton er proportional med frekvensen (f), hvormed den vibrerer, og han beregner proportionalitetskonstanten (h), der kaldes Plancks konstant i sin Ære. Udtrykket for en fotones energi er således:
E_p = hf
Ifølge Albert Einsteins relativitetsteori har hver stofpartikel iboende potentiel energi, der er proportional med partikelens masse og kvadratet af lysets hastighed (c). Det relevante udtryk er:
E_m = mc ^ 2
Einsteins beregninger blev bekræftet af udviklingen af atombomben.