Una delle leggi fondamentali dell'universo è che l'energia non viene né creata né distrutta: cambia solo forma. Di conseguenza, esistono molte formule per l'energia. Per capire come queste formule siano espressioni della stessa cosa, è importante prima capire cosa intendono i fisici quando parlano di energia. È una nozione radicata nei concetti della fisica classica spiegati da Sir Isaac Newton.
La formula per l'energia del moto è:
KE=0,5\volte m\volte v^2
dove KE è l'energia cinetica in joule, m è la massa in chilogrammi e v è la velocità in metri al secondo.
Forza e lavoro
Le tre leggi del moto di Newton costituiscono la base della fisica classica. La prima legge definisce la forza come ciò che provoca il movimento, e la seconda legge mette in relazione la forza che agisce su un oggetto all'accelerazione che subisce. Se una forza (F) accelera un corpo per una distanza (d), compie una quantità di lavoro (W) pari alla forza moltiplicato per la distanza per un fattore che tiene conto dell'angolo tra loro (θ, la lettera greca Greek theta). Come espressione matematica, questo significa:
W=Fd\cos{\theta}
Le unità metriche per la forza sono i newton, quelle per la distanza sono i metri e quelle per il lavoro sono i newton-metri, o joule. L'energia è la capacità di fare lavoro, ed è anche espressa in joule.
Energia cinetica ed energia potenziale
Un oggetto in movimento possiede la sua energia di movimento, che è equivalente al lavoro che sarebbe richiesto per portarlo a riposo. Questa è chiamata la sua energia cinetica e dipende dal quadrato della velocità dell'oggetto (v) e da metà della sua massa (m). Un oggetto a riposo nel campo gravitazionale terrestre possiede energia potenziale in virtù della sua altitudine; se dovesse cadere liberamente, guadagnerebbe energia cinetica pari a questa energia potenziale. L'energia potenziale dipende dalla massa dell'oggetto, dalla sua altezza (h) e dall'accelerazione di gravità (g). Matematicamente, questo è:
PE=mg
Energia elettrica
Il calcolo dell'energia negli impianti elettrici dipende dalla quantità di corrente che scorre attraverso a conduttore (I) in ampere, nonché sul potenziale elettrico, o tensione (V), pilotando la corrente, in volt. Moltiplicando questi due parametri si ottiene la potenza dell'elettricità (P) in watt e moltiplicando P per il tempo durante il quale l'elettricità scorre (t) in secondi dà la quantità di energia elettrica nel sistema, in joule. L'espressione matematica per l'energia elettrica in un circuito conduttore è:
E_e=Pt=VIt
Secondo questa relazione, lasciare accesa una lampadina da 100 watt per un minuto consuma 6.000 joule di energia. Questo è equivalente alla quantità di energia cinetica che una roccia da 1 chilogrammo avrebbe se la lasciassi cadere da un'altezza di 612 metri (ignorando l'attrito con l'aria).
Alcune altre forme di energia
La luce che vediamo è un fenomeno elettromagnetico che possiede energia in virtù delle vibrazioni di pacchetti di onde chiamate fotoni. Il fisico tedesco Max Planck determinò che l'energia di un fotone è proporzionale alla frequenza (f) con cui vibra, e calcolò la costante di proporzionalità (h), che è chiamata costante di Planck nel suo onore. L'espressione per l'energia di un fotone è quindi:
E_p=hf
Secondo la teoria della relatività di Albert Einstein, ogni particella di materia ha un'energia potenziale intrinseca proporzionale alla massa della particella e al quadrato della velocità della luce (c). L'espressione pertinente è:
E_m=mc^2
I calcoli di Einstein furono confermati dallo sviluppo della bomba atomica.