Ένας από τους θεμελιώδεις νόμους του σύμπαντος είναι ότι η ενέργεια δεν δημιουργείται ούτε καταστρέφεται - αλλάζει μόνο μορφές. Κατά συνέπεια, υπάρχουν πολλοί τύποι ενέργειας. Για να καταλάβουμε πώς αυτοί οι τύποι είναι εκφράσεις του ίδιου πράγματος, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε πρώτα τι σημαίνουν οι φυσικοί όταν μιλούν για ενέργεια. Είναι μια έννοια που βασίζεται στις έννοιες της κλασικής φυσικής όπως διευκρινίζεται από τον Sir Isaac Newton.
Ο τύπος για την ενέργεια της κίνησης είναι:
KE = 0,5 \ φορές m \ φορές v ^ 2
όπου το KE είναι κινητική ενέργεια σε joules, το m είναι μάζα σε κιλά και το v είναι ταχύτητα σε μέτρα ανά δευτερόλεπτο.
Δύναμη και εργασία
Οι τρεις νόμοι κίνησης του Νεύτωνα αποτελούν τη βάση για την κλασική φυσική. Ο πρώτος νόμος ορίζει τη δύναμη ως εκείνη που προκαλεί κίνηση και ο δεύτερος νόμος συνδέει τη δύναμη που ενεργεί πάνω σε ένα αντικείμενο με την επιτάχυνση που υφίσταται. Εάν μια δύναμη (F) επιταχύνει το σώμα μέσω μιας απόστασης (d), κάνει μια ποσότητα εργασίας (W) ίση με τη δύναμη πολλαπλασιαζόμενη επί την απόσταση φορές έναν παράγοντα που αντιστοιχεί στη γωνία μεταξύ τους (θ, το ελληνικό γράμμα θήτα). Ως μαθηματική έκφραση, αυτό σημαίνει:
W = Fd \ cos {\ theta}
Οι μετρικές μονάδες δύναμης είναι Newton, αυτές για την απόσταση είναι μετρητές και εκείνες για την εργασία είναι Newton-meter ή joules. Η ενέργεια είναι η ικανότητα για εργασία, και εκφράζεται επίσης σε joules.
Κινητική και πιθανή ενέργεια
Ένα αντικείμενο σε κίνηση διαθέτει την ενέργεια κίνησής του, η οποία είναι ισοδύναμη με την εργασία που θα χρειαζόταν για να το φέρει σε ηρεμία. Αυτό ονομάζεται κινητική του ενέργεια και εξαρτάται από το τετράγωνο της ταχύτητας του αντικειμένου (v) καθώς και από το μισό της μάζας του (m). Ένα αντικείμενο σε ηρεμία στο βαρυτικό πεδίο της Γης διαθέτει πιθανή ενέργεια λόγω του υψομέτρου του. Αν πέφτει ελεύθερα, θα κερδίζει κινητική ενέργεια ίση με αυτήν την πιθανή ενέργεια. Η πιθανή ενέργεια εξαρτάται από τη μάζα του αντικειμένου, το ύψος του (h) και την επιτάχυνση λόγω βαρύτητας (g). Μαθηματικά, αυτό είναι:
PE = mgh
Ηλεκτρική ενέργεια
Ο υπολογισμός της ενέργειας στα ηλεκτρικά συστήματα εξαρτάται από την ποσότητα του ρεύματος που ρέει μέσω ενός αγωγός (I) σε αμπέρ, καθώς και στο ηλεκτρικό δυναμικό, ή τάση (V), οδηγώντας το ρεύμα, σε βολτ. Ο πολλαπλασιασμός αυτών των δύο παραμέτρων δίνει την ισχύ του ηλεκτρικού ρεύματος (P) σε watt και πολλαπλασιάζοντας το P με το χρόνο κατά τη διάρκεια της οποίας η ηλεκτρική ενέργεια ρέει (t) σε δευτερόλεπτα δίνει την ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας στο σύστημα, σε joules. Η μαθηματική έκφραση της ηλεκτρικής ενέργειας σε ένα αγώγιμο κύκλωμα είναι:
E_e = Pt = VIt
Σύμφωνα με αυτήν τη σχέση, αφήνοντας μια λάμπα 100 watt να καίει για ένα λεπτό ξοδεύει 6.000 joules ενέργειας. Αυτό ισοδυναμεί με την ποσότητα κινητικής ενέργειας που θα είχε ένας βράχος 1 κιλού αν το πέταξες από ύψος 612 μέτρων (αγνοώντας την τριβή του αέρα).
Μερικές άλλες μορφές ενέργειας
Το φως που βλέπουμε είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό φαινόμενο που έχει ενέργεια λόγω των δονήσεων πακέτων κυμάτων που ονομάζονται φωτονία. Ο Γερμανός φυσικός Max Planck διαπίστωσε ότι η ενέργεια ενός φωτονίου είναι ανάλογη της συχνότητας (f) με την οποία δονείται και υπολόγισε τη σταθερά της αναλογικότητας (h), η οποία ονομάζεται σταθερή του Planck τιμή. Η έκφραση για την ενέργεια ενός φωτονίου είναι έτσι:
E_p = hf
Σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας του Albert Einstein, κάθε σωματίδιο της ύλης έχει εγγενή δυνητική ενέργεια ανάλογη με τη μάζα του σωματιδίου και το τετράγωνο της ταχύτητας του φωτός (c). Η σχετική έκφραση είναι:
E_m = mc ^ 2
Οι υπολογισμοί του Αϊνστάιν επιβεβαιώθηκαν από την ανάπτυξη της ατομικής βόμβας.