エネルギーのソースを表示

{{Otheruses}}
[[物理学]]において、'''エネルギー'''（{{Lang-de-short|Energie}}）または'''エナジー'''（{{Lang-en-short|energy}}）は、[[仕事 (物理学)|仕事]]をすることのできる[[能力]]のことを指す<ref name="d_daijisen" /><ref name="kojien5" />{{sfn|朝永|1981|p=67}}。物体や系が持っている仕事をする能力の総称<ref name="butsurigakujiten" />。エネルギーの[[SI単位]]は、[[ジュール]]（記号：J）である。

== エネルギーの単位 ==
{{物理量
| 名称 = 
| 英語 = energy
| 画像 =
| 記号 =''E''
| 次元 =[[質量|M]] [[長さ|L]]{{sup|2}} [[時間|T]]{{sup-|2}}
| 階 =スカラー
| SI =[[ジュール]] (J)
| CGS =[[エルグ]] (erg)
| MTS =
| FPS =[[フィート・パウンダル]] (ft&middot;pdl)
| MKSG =[[重量キログラムメートル]] (kgf&middot;m)
| CGSG =
| FPSG =[[フィート重量ポンド]] (ft&middot;lbf)
| プランク =[[プランクエネルギー]] ({{math|''E''{{sub|P}}}})
| 原子 =[[ハートリー]] ({{math|''E''{{sub|h}}}})
}}
{{see also|エネルギーの単位|ジュール|カロリー}}
[[国際単位系]]におけるエネルギー、[[仕事 (物理学)]]および[[熱量]]の[[単位]]は[[ジュール]] (J) である<ref>[https://unit.aist.go.jp/nmij/public/report/SI_9th/pdf/SI_9th_%E6%97%A5%E6%9C%AC%E8%AA%9E%E7%89%88_r.pdf 国際単位系（SI）第9版（2019）日本語版] [[産業技術総合研究所]]、計量標準総合センター、p.106 表4、2020年4月</ref>。日本の[[計量法]]においても、仕事、熱量、[[電力量]]の[[法定計量単位]]は、ジュール、[[ワット秒]]または[[ワット時]]である。

計量法は、[[栄養学]]や[[食品]]の分野における[[熱量]]の計量に限って[[カロリー]] (cal) の使用を認めている。1999年10月以降、カロリーは正確に 4.184 J である<ref>{{Cite web|和書|title=計量単位令（平成四年政令第三百五十七号）別表第6（第5条関係） 第13号|url=https://laws.e-gov.go.jp/law/404CO0000000357#82|website=e-Gov法令検索|accessdate=2019-12-17|publisher=総務省行政管理局}}</ref>。

国際単位系は、カロリーの使用を全く認めていない。1948年の第9回[[国際度量衡総会]]は、「熱測定の実験結果は、できるだけジュールで表すこと、やむなくカロリーで表す場合は、ジュールとの換算値を示すこと」を要請したが<ref>[https://unit.aist.go.jp/nmij/public/report/SI_9th/pdf/SI_9th_%E6%97%A5%E6%9C%AC%E8%AA%9E%E7%89%88_r.pdf 国際単位系（SI）第9版（2019）日本語版] [[産業技術総合研究所]]、計量標準総合センター、pp.128-129、2020年4月</ref>、日本では依然としてカロリーが頻繁に使われている。

エネルギーの単位とその分類は[[国際単位系国際文書]]および計量法の規定によれば、次のようになっている。
* [[SI組立単位]]
** ジュール（J）
** ワット秒（Ws または W・s）= ジュール  （[[法定計量単位]]）
* [[法定計量単位]]である非SI単位
** ワット時（Wh または W・h） = 3600 J    （ [[キロワット時]] (kWh または kW・h) （= 3.6 MJ）は、[[SI接頭語]]を付した単位の一例である。）
* [[SI併用単位]]
** [[電子ボルト]] (eV) = {{Val|1.602176634|e=-19|u=J}}（正確に）　 （ただし、法定計量単位ではない。）

* [[計量法#用途を限定する非SI単位|特殊の計量に用いる法定計量単位]]（「人若しくは動物が摂取する物の熱量又は人若しくは動物が代謝により消費する熱量の計量」に限って使用できる。）
** カロリー（= 4.184 J）、キロカロリー、メガカロリー、ギガカロリー（キロ、メガ、ギガ以外の[[SI接頭語]]を付することはできない。）
* ヤード・ポンド法の単位（航空関係、法定計量単位と併記した輸入品の一部に限られる。）
** [[英熱量]] (Btu) = （正確に）1055.06 J <ref>[https://laws.e-gov.go.jp/law/404CO0000000357#83 計量単位令] 別表第7、項番14</ref>

* [[計量法#取引、証明とは|取引・証明]]での使用が禁止されている単位
** [[エルグ]] (erg) = 10<sup>&minus;7</sup> J   （1995年9月30日までは、[[法定計量単位]]であった。）
** [[石油換算トン]] (toe) = 41.868 GJ
** [[石炭換算トン]] (tce) = 29.3076 GJ

== 語源 ==
現在用いられているようなエネルギーという[[概念]]が確立したのは[[19世紀]]後半のことであるが<ref name="sekai_energy">[[#sekaidaihyakka|『世界大百科事典』]]第3巻、pp.613-615、エネルギー。</ref>、概念の確固たる成立はともかくとして、「エネルギー」という用語は、19世紀のはじめ、[[トマス・ヤング]]が1807年に著書『自然哲学講義』({{lang-en-short|A Course of Lectures on Natural Philosophy}}) の中で、従来使われていた「力」を意味するラテン語 {{lang|la|vis}} の代わりとして提案された<ref name="butsurigakujiten" />。

「エネルギー」の語源となった[[ギリシア語]]の {{Lang|el|ἐνέργεια}} ({{lang-*-Latn|el|energeia}}) は、{{Lang|el|ἐνεργός}}({{lang-*-Latn|el|energos}}) に由来する。これは、{{lang|el|ἐν}}（エン）と {{lang|el|ἔργον}}（エルゴン）を組み合わせた語で、{{Lang|el|ἐν}} は[[前置詞]]、{{lang|el|ἔργον}} ({{lang-*-Latn|el|ergon}}) は「[[労働|仕事]]」を意味する語である。つまり、「[[物体]]内部に蓄えられた、仕事をする[[能力]]」という意味の語である。エネルギーという概念は「仕事」という概念と深い関わりがあるのである。

このようにエネルギーという語・概念は「物体が仕事をなし得る能力」を意味したが、その後、[[自然科学]]の説明体系が変化し、[[熱]]・[[光]]・[[電磁気]]もエネルギーを持つことが知られるようになり、さらに、[[質量]]までがエネルギーの一形態である、と理解されるようになった<ref name="kojien5" />。

== 歴史 ==
現代において「エネルギー」という語で呼ばれている概念には、[[ひな形]]（あるいは[[萌芽]]と呼んでもよいもの）があり、その概念は、[[ヨーロッパ]][[近世]]においては「エネルギー」とは呼ばれておらず、[[ラテン語]] で {{lang|la|vis}}（ウィス、[[力 (物理学)|力]]の意）と呼ばれていた。この概念が様々な経緯を経て、現在の「エネルギー」という概念に似たものに変化してゆくことになった。

[[1600年]]頃のこと、[[ガリレオ・ガリレイ]]は、[[釘]]の頭に（[[金づち]]よりもはるかに）重い物（[[石]]など）をのせても、釘は木の中にめりこんでゆかないのに、それよりも軽い金づちでも振って打つだけで、釘が木材に入ってゆく、ということを、ひとつの問題として取り上げ、[[運動 (物理学)|運動]]する物体には何らかの固有の「ちから」がある、との考え方を示した。

[[ルネ・デカルト|デカルト]]は、[[1644年]]に出版された著書において、[[衝突]]という現象においては、物体の[[重さ]]と[[速さ]]の[[積]]（現在の式で言えば、おおよそ {{mvar|mv}} に相当するような量）が保存されるとし、この量こそが物体の持つ「ちから」である、と述べ、この量は保存されている、と主張した。

[[ゴットフリート・ライプニッツ|ライプニッツ]]は、重さと速さの二乗の積（現在の式で言えば、おおよそ {{math|''mv''{{sup|2}}}} に相当する量）こそが「ちから」である、とし、この量が保存されている、と主張した。なお当時、[[静力学]]の分野では、{{lang|la|vis mortua}}（死んだ力）という概念があったが、その概念と対比ししつつ、ライプニッツはその力 {{math|''mv''{{sup|2}}}} を {{lang|la|vis viva}}（生きている力、'''活力'''）と呼んだ。

デカルトの考え方とライプニッツの考え方では、[[数式]]上異なった結論が導き出される。デカルト派の人々とライプニッツ派の人々の間で「ちから」の解釈に関する論争が起き、この論争は実に50年ほども続いた。この論争を'''活力論争'''<ref group="注">{{lang-en-short|the {{lang|la|vis viva}} dispute}}</ref>と言う。

この問題について[[レオンハルト・オイラー]]は、1745-50年頃執筆された手稿「自然哲学序説」の中で (1) 両主張の差異は運動と力の関係を同一時間で比較するのか(<math>mv</math>)または同一距離で比較するのか(<math>mv^2</math>)の違いであること、(2) 慣性を物体に内在する「力」に置き換えることが誤りであること、を示している<ref> 山本義隆、『古典力学の形成 ニュートンからラグランジュへ』、日本評論社 (1997)、pp.181-184。</ref>。

その後、[[ガスパール＝ギュスターヴ・コリオリ]]が、活力が <math>mv^2/2</math> であることを示した<ref name="butsurigakujiten" />。これは、今日で言うところの「[[運動エネルギー]]」に相当することになる<ref name="butsurigakujiten" />。

一方、1840年代に入ると[[ユリウス・ロベルト・フォン・マイヤー|ロベルト・マイヤー]]や[[ジェームズ・プレスコット・ジュール]]が[[エネルギー保存の法則]]の存在に気づき、1847年に[[ヘルマン・フォン・ヘルムホルツ]]がこれを熱力学の第一法則とし、1850年には[[ルドルフ・クラウジウス]]が熱力学の第一法則の定式化を行った。また、1824年には[[ニコラ・レオナール・サディ・カルノー|サディ・カルノー]]が[[熱力学第二法則]]につながる発見をし、1850年代にはクラウジウスと[[ウィリアム・トムソン]]（ケルヴィン卿）がそれぞれ独自に熱力学第二法則を導きだした<ref>「はじめて学ぶ科学史」p89-92　山中康資　共立出版　2014年9月25日初版1刷</ref>。

{{see also|熱の仕事当量|エネルギー保存の法則}}

== 熱力学 ==
[[熱力学]]において、ある条件の元で仕事として取り出すことのできるエネルギーとして[[自由エネルギー]]が定義される。自由エネルギーには、[[ヘルムホルツの自由エネルギー]]と[[ギブズの自由エネルギー]]の 2 つがある。'''ヘルムホルツの自由エネルギー'''<ref group="注">{{lang-en-short|Helmholtz free energy}}</ref>は等温操作によって熱力学系から得られる仕事の最大値として定義される。'''ギブズの自由エネルギー'''<ref group="注">{{lang-en-short|Gibbs free energy}}</ref>は等温等圧操作によって得られる仕事の最大値を与える。

自由エネルギーは、適切な変数の下では[[平衡状態]]の熱力学系のすべての情報を持った[[関数 (数学)|関数]]、すなわち[[熱力学ポテンシャル]]となる。また、平衡状態は自由エネルギーが[[極値|極小]]である状態として実現する。このように、自由エネルギーは理論的な道具として良い性質を持った量である。

一方、[[工学]]などの応用領域においては、熱力学系で'''[[仕事 (物理学)|仕事]]に寄与する'''有効エネルギーのみに意味があり、それを評価する量として'''[[エクセルギー]]'''<ref group="注">{{lang-en-short|exergy}}</ref>が考案されている。反対に、熱力学系の仕事に寄与せず捨てられる無効エネルギーを'''アネルギー'''と呼ぶ。[[カルノーサイクル|カルノー効率]]によれば、エクセルギーとアネルギーの発生割合は、高温側の熱源と低温側の熱源の温度比のみで規定されている。

{{see also|自由エネルギー|エクセルギー}}

== 古典力学 ==
{{古典力学}}
[[力学]]においては、[[質点]]の持つエネルギーは[[運動エネルギー]]と[[位置エネルギー]]に分類される。'''運動エネルギー'''は粒子の[[運動量]]に依存するエネルギーで、[[ニュートン力学]]では
:<math>K(\boldsymbol{p})
:=\frac{\left|\boldsymbol{p}\right|^2\!\!}{2m}\,
\overset{\boldsymbol{p}=m\boldsymbol{v}}{=\!=}\,\frac{1}{2}m|\boldsymbol{v}|^2</math>
と定義される。ここで {{mvar|K}} は運動エネルギー、{{mvar|'''p'''}} は運動量、{{mvar|m}} は[[質量]]、{{mvar|'''v'''}} は速度である。また、{{math|{{!}}&middot;{{!}}}} は[[絶対値]]を表し、太字の量は[[ベクトル量]]を表す。
'''位置エネルギー'''は質点の位置に依存するエネルギーで、特に質点が持つ位置エネルギーは、その質点の位置を変数とする[[関数 (数学)|関数]]として定義される。
位置エネルギーを表す文字としては、しばしば {{mvar|V}} や {{mvar|U}}、{{math|&Phi;}} や {{mvar|&phi;}} が用いられる。

粒子の持つエネルギーを一般化して、1 つの力学系に対してエネルギーを定義できる。
運動エネルギーに関しては、各粒子が持つ運動エネルギーの和が系の運動エネルギーに対応する。
:<math>K(\boldsymbol{p}_1,\dots,\boldsymbol{p}_N)=\sum_{i=1}^N\frac{|\boldsymbol{p}_i|^2\!\!}{2m_i}.</math>
ここで {{mvar|N}} は系の粒子数であり、{{mvar|'''p'''{{sub|i}}}} は {{mvar|i}} 番目の粒子の運動量、{{mvar|m{{sub|i}}}} は {{mvar|i}} 番目の粒子の質量である。
位置エネルギーは、各粒子の位置を変数とする関数として定義される。多くの場合、位置エネルギーは 1 体の[[ポテンシャル]]と 2 体のポテンシャルを用いて、
:<math>\Phi(\boldsymbol{r}_1,\dots,\boldsymbol{r}_N)
= \left\{\sum_{i=1}^N\phi_1(\boldsymbol{r}_i)\right\}
+ \left\{\sum_{i<j}\phi_2(\boldsymbol{r}_i,\boldsymbol{r}_j)\right\}</math>
と書き表すことができる。ここで {{math|&Phi;}} は系の位置エネルギー、{{math|''&phi;''{{sub|1}}}} は 1 体のポテンシャル、{{math|''&phi;''{{sub|2}}}} は 2 体のポテンシャルであり、{{mvar|'''r'''{{sub|i}}}} は {{mvar|i}} 番目の粒子の位置を表す。

力学において定義されるこれらのエネルギーの総和は、熱力学における定義と対比して、しばしば'''[[力学的エネルギー]]'''と呼ばれる。
力学的エネルギーの変化量が、系が外界に対してなした仕事に等しい場合、「力学的エネルギーは保存している」と言い、これを'''力学的エネルギー保存則'''と呼ぶ。力学的エネルギーが保存しない系は、たとえば粒子に対して[[摩擦力]]が働く系や粒子が[[衝突|非弾性衝突]]をする系である。[[還元主義]]の立場では、このエネルギーの損失は、粒子やそれが運動する[[媒質]]などの[[自由度|内部自由度]]を記述し切れていないことに起因すると考えられている。

{{see also|力学的エネルギー|エネルギー保存の法則}}

== 相対性理論 ==
{{Main|相対論的エネルギー}}
[[アインシュタイン]]による[[相対性理論]]において、物体が持つ[[運動エネルギー]]は下の式である。
: <math>K = \sqrt{ m^2c^4+ \left|\boldsymbol{p} \right|^2c^2 }
=\frac{mc^2}{\sqrt{1-\frac{\left|\boldsymbol{v} \right|^2}{c^2}}}</math>

== 量子力学 ==
[[量子力学]]において、[[物理量]]や[[オブザーバブル|可観測量]]は通常の[[実数]]を用いては必ずしも表現できず、[[演算子 (物理学)|演算子]]を用いて表現される{{sfn|江沢|2002|pp=112-116|loc=§6.3 観測}}{{sfn|須藤|2008|pp=177-180|12.3 演算子と固有値・固有ベクトル}}。系の力学的なエネルギーは、古典論における[[解析力学]]と同様に系全体の[[ハミルトニアン]]によって表されるが、量子力学ではハミルトニアンは[[状態ベクトル]]に作用する演算子となる{{sfn|江沢|2002|pp=127-128|loc=§7.1 定常状態}}。測定によって得られる値は、そのハミルトニアンの[[固有状態]]に対応した[[固有値]]として与えられる{{sfn|江沢|2002|pp=121-122; 127-128|loc=§6.3 観測; §7.1 定常状態}}<ref group="注">系全体のハミルトニアンの固有状態を特に[[エネルギー固有状態]]と呼び、固有値を[[エネルギー固有値]]と呼ぶ。エネルギー固有状態とは、エネルギーがある 1 つの値に定まった状態を指し、エネルギー固有値はそのときの系のエネルギーに等しい。</ref>。ある系について、エネルギーを測定できる限りにおいて、[[エネルギー固有値]]は実数に限られるため、系全体のハミルトニアンは[[自己共役作用素|エルミート演算子]]でなければならない。

[[相対性理論|非相対論的]]な量子力学では、[[正準交換関係]]を通じて[[運動量]]を演算子に置き換えることで、'''運動エネルギー'''は、
:<math>K(\boldsymbol{p}) \to \hat{K}(\hat{\boldsymbol p})
=\frac{\hat{\boldsymbol p}^2\!\!}{2m}</math>
と定義される{{sfn|江沢|2002|pp=100-103|loc=§6.1 物理量を表す演算子}}。ここで {{math|{{hat|''K''}}}} は運動エネルギー演算子、{{math|{{hat|'''''p'''''}}}} は運動量演算子である。運動エネルギーを表す文字としてはしばしば {{mvar|K}} や {{mvar|T}} が用いられる。

'''位置エネルギー'''も同様に位置演算子の関数に置き換えられる{{sfn|江沢|2002|pp=100-103|loc=§6.1 物理量を表す演算子}}。
:<math>V(\boldsymbol{r}) \to \hat{V}(\hat{\boldsymbol r}).</math>
ここで {{math|''V'', {{hat|''V''}}}}  は位置エネルギーおよび位置エネルギー演算子、{{math|'''''r''''', {{hat|'''''r'''''}}}} は粒子の位置および位置演算子である。

1 粒子系のハミルトニアン {{math|{{hat|''H''}}}} は運動エネルギーと位置エネルギーの和として与えられる。
:<math>\hat{H}(\hat{\boldsymbol p},\hat{\boldsymbol r}) = \hat{K}(\hat{\boldsymbol  p}) + \hat{V}(\hat{\boldsymbol r})
= \frac{\hat{\boldsymbol p}^2\!\!}{2m} + \hat{V}(\hat{\boldsymbol r}).</math>

量子力学においては、古典力学とは異なり、定常状態でとり得るエネルギー固有値 {{mvar|E}} は非負でなければならず、固有値は必ずしも連続的ではなくなる<ref name="sekai_energy" />。エネルギーの値がこのように離散的になることの効果が、特に低温での熱的な性質に顕著に現れる<ref name="sekai_energy" />。

{{see also|ハミルトニアン|固有状態|固有値}}

== 電磁気学 ==
[[電磁気学]]において、[[電磁場]]のエネルギーは、現象論的な[[マクスウェルの方程式]]から
:<math>U(t)= \int_V \frac{1}{2}\left(
\boldsymbol{E}(\boldsymbol{r},t)\cdot\boldsymbol{D}(\boldsymbol{r},t)
+ \boldsymbol{H}(\boldsymbol{r},t)\cdot\boldsymbol{B}(\boldsymbol{r},t)
\right)\mathrm{d}^3\boldsymbol{r}</math>
と与えられる{{sfn|砂川|1987|pp=227-229|loc=第 5 章 マクスウェルの方程式 §2 電磁場のエネルギーと運動量}}。ここで {{mvar|'''E'''}} は[[電場]]、{{mvar|'''D'''}} は[[電束密度]]、{{mvar|'''H'''}} は[[磁場]]、{{mvar|'''B'''}} は[[磁束密度]]である。また、{{math|'''&middot;'''}} は[[点乗積|ベクトルの内積]]、{{mvar|V}} は空間全体およびその体積を表す。特に、真空中では電束密度 {{mvar|'''D'''}} および磁場 {{mvar|'''H'''}} はそれぞれ電場 {{mvar|'''E'''}} と磁束密度 {{mvar|'''B'''}} で置き換えられ、[[国際単位系]]を用いれば、[[誘電率|真空中の誘電率]] {{math|''&epsilon;''{{sub|0}}}} および[[透磁率|真空中の透磁率]] {{math|''&mu;''{{sub|0}}}} を用いて、
:<math>U(t)= \int_V \frac{1}{2}\left(\varepsilon_0 \boldsymbol{E}^2(\boldsymbol{r},t)
+ \frac{1}{\mu_0}\boldsymbol{B}^2(\boldsymbol{r},t)
\right)\mathrm{d}^3\boldsymbol{r}</math>
と表すことができる。また、被積分関数である、電場と電束密度の[[内積]] {{math|'''''E'''''&thinsp;&middot;&thinsp;'''''D'''''}}、および磁場と磁束密度の内積 {{math|'''''H'''''&thinsp;&middot;&thinsp;'''''B'''''}} の和は<ref group="注">正確にはその {{math|{{sfrac|1|2}}}}。</ref>、電磁場のエネルギー密度を与える{{sfn|砂川|1987|pp=74-75|loc=第 1 章 静電場 §6 静電場のエネルギーとマクスウェルの応力}}。
:<math>u(\boldsymbol{r},t) = \frac{1}{2}\left(
\boldsymbol{E}(\boldsymbol{r},t)\cdot\boldsymbol{D}(\boldsymbol{r},t)
+ \boldsymbol{H}(\boldsymbol{r},t)\cdot\boldsymbol{B}(\boldsymbol{r},t)
\right).</math>
真空中のエネルギー密度は、
:<math>u(\boldsymbol{r},t) = \frac{1}{2}\left(
\varepsilon_0\boldsymbol{E}^2(\boldsymbol{r},t) + \frac{1}{\mu_0}\boldsymbol{B}^2(\boldsymbol{r},t)
\right).</math>
である。すなわち、電磁場のエネルギー密度は電磁場の大きさの[[自乗|二乗]]に比例する。

ある空間における電磁場のエネルギーについて、その時間的変化は電場が電荷に対してなす力学的な[[仕事 (物理学)|仕事]]と、[[電磁波]]として運ばれるものに分けられる{{sfn|砂川|1987|pp=227-229; 284-286|loc=第 5 章 マクスウェルの方程式 §2 電磁場のエネルギーと運動量; 第 7 章 電磁波とその放射 §1 自由空間における電磁波}}。前者の[[電荷]]に対する電磁場がなす仕事やそれによって生じる[[熱]]は[[ジュール熱]]と呼ばれる{{sfn|砂川|1987|pp=111-112; 229-233|loc=第 2 章 定常電流 §2 オームの法則; 第 5 章 マクスウェルの方程式 §2 電磁場のエネルギーと運動量}}。
:<math>-\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\int_V u(\boldsymbol{r},t)\mathrm{d}^3\boldsymbol{r} 
= \int_V \boldsymbol{E}(\boldsymbol{r},t)\cdot\boldsymbol{j}(\boldsymbol{r},t) \mathrm{d}^3\boldsymbol{r} 
+ \int_A \left(\boldsymbol{E}(\boldsymbol{r}_A,t)\times\boldsymbol{H}(\boldsymbol{r}_A,t)\right)\cdot \boldsymbol{n}(\boldsymbol{r}_A)\mathrm{d}A
.</math>
ここで {{mvar|'''j'''}} は[[電流密度]]、{{mvar|A}} は領域 {{mvar|V}} の表面およびその面積を表す。また、{{math|'''''r'''<sub>A</sub>''}} は表面 {{mvar|A}} 上の点を、{{mvar|'''n'''}} は表面に垂直で領域の外を向いた[[単位ベクトル]]を表している。右辺の第 1 項がジュール熱、つまり電磁場と電荷の相互作用によるエネルギーの移動を表し、第 2 項が電磁場の変形によって外部へ流出するエネルギーの流量を表している。第 2 項の被積分関数は[[ポインティング・ベクトル]]として次のように定義される{{sfn|砂川|1987|pp=229-233; 284-286|loc=第 5 章 マクスウェルの方程式 §2 電磁場のエネルギーと運動量; 第 7 章 電磁波とその放射 §1 自由空間における電磁波}}。
:<math>\boldsymbol{S}(\boldsymbol{r},t) 
= \boldsymbol{E}(\boldsymbol{r},t)\times\boldsymbol{H}(\boldsymbol{r},t)
.</math>

== 種類・分類 ==
<!--=== 移動形態や保存形態による分類 ===-->
上の複数の節において、運動エネルギー、位置エネルギー、電磁場のエネルギーなど、物理学で扱うエネルギー概念を挙げた。

そのような物理学的で厳密な分類もあるが、他方で、人々が慣習的に行う やや曖昧な分類もある。熱機関と熱浴との[[熱力学的温度|温度]]の差を利用して取り出されるエネルギーは、ときに'''熱エネルギー'''と呼ばれる。また[[化学ポテンシャル]]の差を利用して取り出されるエネルギーは'''化学エネルギー'''と呼ばれる。他にも、[[電流]]によって運ばれるエネルギーは'''電気エネルギー'''、[[電磁波]]の持つエネルギーや電磁波によって得られるエネルギーは'''光エネルギー'''、[[原子核分裂]]や[[原子核融合]]などの[[原子核反応]]によって生じるエネルギーは'''[[原子エネルギー]]'''などと呼ばれることがある。これらの呼称は慣習的なもので、物理学とも異なる何らかの視点で分類されたもので、必ずしも厳格に用いられているわけではなく、また一般に通用する厳密な定義も存在しない。

{{div col}}
* [[力学的エネルギー]]（機械的エネルギー）
** [[運動エネルギー]]
** [[位置エネルギー]]（[[ポテンシャル]]エネルギー）
*** [[重力ポテンシャル]]（重力による位置エネルギー）
*** [[弾性エネルギー]]
* [[化学エネルギー]]
** [[イオン化エネルギー]]
* [[原子核エネルギー]]
* [[熱エネルギー]]
* [[光エネルギー]]
* [[電気|電気エネルギー]]
* [[静止エネルギー]]
* [[音波|音エネルギー]]
* [[ダークエネルギー]]
{{div col end}}

== 資源としてのエネルギー ==
{{Main|エネルギー資源}}
「エネルギー」はエネルギー資源を指していることもある。産業・運輸・消費生活などに必要な動力の源のことを[[エネルギー資源]]と呼んでいる<ref name="d_daijisen" />。

=== エネルギー資源の歴史 ===
人類が最初に利用したエネルギー源は[[火]]である。[[メソポタミア]]文明の時代にはすでに水のエネルギー（[[水力]]）を利用するために[[水車]]が作られており、また[[風]]のエネルギーを使用する[[帆船]]も移動手段として古代から存在していた。やがて[[風車]]が作られることで、移動以外の動力にも風が利用できるようになった<ref>「科学は歴史をどう変えてきたか　その力・証拠・情熱」p145-148　マイケル・モーズリー＆ジョン・リンチ著　久芳清彦訳　東京書籍　2011年8月22日第1刷</ref>。[[18世紀]]までは主要なエネルギー源はこういった自然のエネルギーのほか、[[薪]]、[[炭]]、[[鯨油]]などといったものが主であったが、18世紀に入るとイギリスで[[石炭]]の利用法の改良が行われ、次いで[[1765年]]、[[ジェームズ・ワット]]が[[蒸気機関]]の改良を行った<ref>「科学は歴史をどう変えてきたか　その力・証拠・情熱」p160-161　マイケル・モーズリー＆ジョン・リンチ著　久芳清彦訳　東京書籍　2011年8月22日第1刷</ref>。これは人類の利用できるエネルギーに革新をもたらし、[[産業革命]]の原動力となった。その後、[[電気]]エネルギーの実用化が始まり、20世紀に入ると石炭に変わって[[石油]]が主に用いられるようになり、また[[核燃料]]を利用する[[原子力]]エネルギーが実用化された<ref>「科学は歴史をどう変えてきたか　その力・証拠・情熱」p185　マイケル・モーズリー＆ジョン・リンチ著　久芳清彦訳　東京書籍　2011年8月22日第1刷</ref>。

2018年には世界のエネルギー消費量は138.6億トンに達し、[[石油]]が34％、[[石炭]]が27％、[[天然ガス]]が24％を占め、8割以上が[[化石燃料]]由来のエネルギーとなっている<ref>https://www.fepc.or.jp/enterprise/jigyou/world/index.html　「世界のエネルギー消費と資源」電気事業連合会　2019年11月26日閲覧</ref>。

エネルギー消費の構成が急激に大きく変化すること、特に[[第二次世界大戦]]後の石炭から石油への急激なエネルギー源の転換などを指して<ref name="sekai_e_revo" />、[[エネルギー革命]]と言う<ref name="sekai_e_revo" />。

=== エネルギー資源の分類 ===
エネルギーは「資源」の観点では、石炭や石油のように地球に埋蔵されていて使用すると減少する'''[[枯渇性エネルギー]]'''と、太陽光・水力・風力など主に太陽の放射エネルギーに基づくもので人間の時間尺度内では半永久的に減ることなく再生される'''[[再生可能エネルギー]]'''に分類される<ref>{{Cite book |和書 |author=八坂保能編著 |year=2017 |title=電気エネルギー工学 新装版 発電から送配電まで |publisher=森北出版 |pages=5-6}}</ref>。

エネルギー資源はその利用形態による分類としては、自然界に存在する状態のままの1次エネルギー（石炭、原油、水力など）と、それを使用や取り扱いに便利なように変換した2次エネルギー（ガソリン、都市ガス、電力など）に分類される<ref>{{Cite book |和書 |author=八坂保能編著 |year=2017 |title=電気エネルギー工学 新装版 発電から送配電まで |publisher=森北出版 |page=6}}</ref>。

=== 省エネ、創エネ、蓄エネ ===
「[[省エネ]]」とはエネルギーの無駄を省いて効率的に使うこと、「創エネ」とは、主として電気を自ら創ること（[[自家発電]]すること）、「[[蓄エネ]]」とはエネルギーを蓄えること、の総称である<ref>[https://j-net21.smrj.go.jp/development/energyeff/Q1237.html]</ref>。

== 換算表 ==
{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
|+ 主なエネルギーの換算表<ref>{{Cite web
|author = [[国際エネルギー機関|International Energy Agency (IEA)]]
|date = 
|url = http://www.iea.org/stats/unit.asp
|title = Unit Converter
|work = 
|publisher = 
|language = 英語
|accessdate = 2012-04-29
}}</ref>
! !! toe<br><small>（石油換算トン）</small> !! tce<br><small>（石炭換算トン）</small> 
! MBtu !! Gcal !! MWh !! GJ 
|-
! toe 
| 1 || 0.7 || 0.0252 || 0.0999 || 0.0860 || 0.0239
|-
! tce 
| 1.428 6 || 1 || 0.0360 || 0.1428 || 0.1228 || 0.0341
|-
! MBtu 
| 39.683 || 27.778 || 1 || 0.2778 || 0.0239 || 0.9478
|-
! Gcal 
| 10.007 || 7.0049 || 0.2522 || 1 || 0.8604 || 0.2390
|-
! MWh 
| 11.630 || 8.1410 || 0.2931 || 1.1622 || 1 || 0.2778
|-
! GJ 
| 41.868 || 29.307 6 || 1.055 055 852 62 || 4.184 || 3.6 || 1
|}

== 脚注 ==
{{脚注ヘルプ}}
=== 注釈 ===
{{reflist|group="注"}}
=== 出典 ===
{{reflist|2|refs=
<ref name="d_daijisen">[[#daijisen|小学館『デジタル大辞泉』]]。</ref>
<ref name="butsurigakujiten">[[#butsurigakujiten|培風館『物理学辞典』(1998)]]、pp.191-193。</ref>
<ref name="kojien5">[[#kojien5|岩波書店『広辞苑』]]、第5版、301頁、「エネルギー」。</ref>
<!--
<ref name="sekai_e_resource">{{Cite book|和書
|title = [[世界大百科事典]]
|publisher = [[平凡社]]
|volume = 3
|page = 616
|chapter = エネルギー資源
}}</ref>
-->
<ref name="sekai_e_revo">{{Cite book|和書
|title = [[世界大百科事典]]
|publisher = [[平凡社]]
|volume = 3
|page = 615
|chapter = エネルギー革命
}}</ref>
}}

== 参考文献 ==
* {{Cite book|和書|last=江沢|first=洋|authorlink=江沢洋|title=量子力学 I|publisher=裳華房|date=2002-4-15|isbn=978-4-7853-2206-9|ref=harv}}
* {{Cite book|和書|last=須藤|first=靖|title=解析力学・量子論|date=2008-9-5|publisher=東京大学出版会|isbn=978-4-13-062610-1|ref=harv}}
* {{Cite book|和書|last=砂川|first=重信|authorlink=砂川重信|title=電磁気学|series=物理テキストシリーズ 4|publisher=岩波書店|date=1987-1-29|edition=新装版|isbn=4-00-007744-9|ref=harv}}
* {{Cite book|和書|last=朝永|first=振一郎|authorlink = 朝永振一郎|title=物理学読本|edition=第2|date=1981|publisher=みすず書房|isbn=4-622-02503-5|ref=harv}}
* {{cite|和書|title=物理学辞典|publisher=培風館|year=1998|ref=butsurigakujiten}}
* {{Cite|和書|title=[[デジタル大辞泉]]|publisher=[[小学館]]|ref=daijisen}}
* {{Cite book|和書|editor=新村出|editor-link=新村出|title=[[広辞苑]]|edition=第5版|year=1998|publisher=[[岩波書店]]|isbn=4-00-080111-2|ref=kojien5}}
* {{Cite book|和書|title=[[世界大百科事典]]|publisher=[[平凡社]]|volume=3|ref=sekaidaihyakka}}
* [https://laws.e-gov.go.jp/law/404CO0000000357 計量単位令（平成四年十一月十八日政令第三百五十七号）]
* {{PDFlink|[https://www.nmij.jp/library/units/si/R8/SI8J.pdf 国際単位系 (SI) 第 8 版日本語版]}}

== 関連項目 ==
{{ウィキポータルリンク|エネルギー}}
{{Wiktionary}}
{{Commonscat|Energy}}
* [[熱力学ポテンシャル]]
* [[内部エネルギー]]
* [[変分法]]
* [[変分原理]]
* [[ディリクレエネルギー]]
* [[エネルギーの比較]]
* [[エネルギー資源]]
* [[日本エネルギー学会]]
* [[エネルギー自給率]]
* [[エネルギー安全保障]]

== 外部リンク ==
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{{自然}}

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[[Category:エネルギー|*]]
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