ЭНЕ́РГИЯ (от греч. energeia — деятельность, работоспособность) — основная, наиболее общая мера движения материи. Во всяком процессе имеет место превращение движения из одной формы в другую: механич. движение тел благодаря трению превращается в теплоту, за счёт механич. движения возникает также электрич. ток (в динамомашине); теплота, в свою очередь, может вызвать химич. реакции, за её счёт могут образоваться электрич. ток, свет, механич. движение и т. д.; наконец, за счёт электрич. тока возникают — механич. движение (в электромоторе), теплота, свет и т. д. Опыт показывает, что для каждой формы движения существует определённая величина, определённая мера движения, отличающаяся тем, что при любых превращениях движения из одной формы в другую сумма этих величин сохраняется. Постоянство этой суммы и выражает закон сохранения энергии, а сами величины называются Э. Опытным путём устанавливается зависимость Э. каждой формы движения или, как говорят, каждого вида Э., от других величин, характеризующих состояние тел. Так, Э. поступательно движущегося тела равна произведению массы тела m на квадрат его скорости v, разделённому на 2:
эта Э. носит название кинетической Э. тела. Э. взаимодействия двух тяготеющих друг к другу тел равна произведению масс обоих тел m1 и m2, на обратную величину расстояния между ними 1/r и на постоянную тяготения γ:
Эта Э. называется потенциальной Э. тяготения. Э. колеблющегося тела пропорциональна квадрату его амплитуды. Э. сообщенной телу теплоты Q равна произведению теплоёмкости тела c на приращение температуры T:
Э. электрич. тока равна произведению величины прошедшего через проводник заряда e на разность потенциалов U на концах проводника:
Различают две формы энергии: кинетическую энергию (Э. движения), зависящую от скоростей тел, и потенциальную Э. (Э. положения), зависящую от координат тел (точнее — от их относительных положений). Однако многие виды Э. зависят одновременно и от координат и от их изменения во времени, т. е. от скоростей.
Переход в механич. Э. других видов Э. или обратный переход механич. Э. в другие виды формулируют так: в первом случае говорят, что над телом совершается положительная работа, во втором — что над телом совершается отрицательная работа. Если при этом известна сила, действующая на тело, то работа непосредственно вычисляется как произведение силы на перемещение тела и на косинус угла между направлениями силы и перемещения. Работа, производимая внешними силами над телом, численно равна приросту механич. Э. тела, если знак работы положителен, и убыли механич. Э. тела, если знак работы отрицателен. Численное равенство работы и Э. позволяет измерять их в одних и тех же единицах: эргах, джоулях и т. д.
Э. часто определяют как способность совершать работу. Это определение Э. неудовлетворительно в том отношении, что оно основано на другом понятии, в свою очередь требующем определения, именно — на понятии работы; между тем понятие работы является более узким понятием по сравнению с Э. При превращениях форм движения одни виды Э. убывают или совершенно исчезают, а за их счёт возникают другие виды Э. Энергии разных видов измеряются в различных единицах (напр., механич. Э. — в килограмметрах, теплота — в калориях, электрич. Э. — в джоулях и т. д.); между единицами различных видов Э. существуют эквивалентные соотношения, т. е. каждая единица Э. одного вида, превращаясь, создаёт вполне определённое и постоянное количество единиц Э. другого вида. Так, установлено, что для получения 1 большой калории тепла необходимо затратить 427 кгм механич. работы. Благодаря наличию таких эквивалентных соотношений в теоретических расчётах можно выражать все виды Э. в каких-либо одних единицах. При суммировании различных видов Э. их необходимо выразить в единицах определённого вида, умножая количество единиц каждого вида Э. на соответствующий эквивалент. Весь накопленный наукой опыт доказывает, что эквивалентные соотношения между различными видами Э. постоянны и не зависят от характера и направления превращений Э. В этом находит своё количественное выражение упомянутый выше закон сохранения и превращения Э. Этот закон гласит, что в процессах, совершающихся в природе, Э. не теряется и не возникает из ничего, а только переходит из одного вида в другой в определённых постоянных соотношениях. В замкнутой системе тел, взаимодействиями к-рой с другими системами можно пренебречь, вся Э., или сумма всех видов Э., остаётся при всех изменениях в системе постоянной (отсюда возникло понятие о запасе Э.). Если бы эквивалентные соотношения зависели от способа и направления превращений Э., то можно было бы придумать такое устройство, в к-ром Э. возникала бы из ничего. В самом деле, если при переходе из одного состояния в какое-либо другое состояние, напр., при превращении механич. Э. системы в тепловую, за счёт a кгм механич. работы образовалось бы b калорий тепла, а при обратном процессе, при превращении тепла в механич. энергию, эти b калорий тепла производили бы не такое же количество (a кгм) работы, то в результате этого или обратного ему кругового процесса Э. выигрывалась бы; в таком случае можно было бы построить машину, к-рая, непрерывно проделывая такой круговой процесс, т. е. последовательно превращая друг в друга теплоту в механич. движение, доставляла бы неограниченное количество Э. Такая неосуществимая машина получила название «перпетуум мобиле» (perpetuum mobile) — вечный двигатель. Многие изобретатели до открытия закона сохранения и превращения Э. делали попытки сконструировать «перпетуум мобиле», потратив впустую много сил и средств.
Закон сохранения и превращения Э. является самым общим законом физики и всего естествознания. В нём находит своё конкретное физич. выражение идея единства мира, материальности мира, к-рая ещё древними материалистами формулировалась в виде положения: ex nihilo nihil fit, nil fit ad nihilum (из ничего ничто не происходит, ничто не пропадает в ничто). Согласно этому закону, все явления природы представляют собой различные превращения движущейся материи из одной формы в другую; движение материи не возникает из ничего и не пропадает в ничто, оно лишь меняет свою форму. Наука в своём развитии открывает новые, ранее неизвестные формы движения материи и, следовательно, новые виды Э.; поэтому и закон сохранения и превращения Э. по мере развития науки изменяет своё конкретное содержание и форму. Однако по сути своей этот закон остаётся незыблемой основой естествознания. В этом смысле Энгельс называет его основным, «абсолютным» законом природы; в этом смысле отрицание закона означает признание создаваемости и уничтожаемости движения материи, иначе говоря, означает отрицание материализма и признание идеализма и мистики. Первая и притом наилучшая формулировка закона сохранения Э. принадлежит гениальному русскому учёному Михаилу Васильевичу Ломоносову. В своей работе, названной «Рассуждение о твердости и жидкости тел» (1760), он говорит: «Все перемены в натуре случающиеся такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому… Сей всеобщей естественной закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает» (см. Ломоносов, Избранные философские сочинения, 1940, стр. 193). В зачаточной форме закон сохранения и превращения Э. содержится уже в положении о невозможности механического «перпетуум мобиле», установленном ещё Галилеем, — положении, послужившем ему исходным пунктом при выводе закона инерции. Это же положение, но уже применённое не к одному телу, а к системе тел, легло в основу вывода законов упругого удара, открытых Гюйгенсом. Гюйгенс нашёл, что при упругом ударе сохраняется живая сила (кинетич. Э.) взаимодействующих тел (термин «живая сила» введён Лейбницем). Так была найдена первая мера Э. — мера механической (кинетической) Э. В начале 19 в. в механику вводится понятие работы и потенциальной Э. и формулируется (Р. Майер — в 1842, несколько позднее — Джоуль и Гельмгольц) в общей форме закон превращения Э. в механике. В течение всей второй половины 18 в. и первых 40 лет 19 в. в физике господствовало убеждение, что все немеханич. явления обязаны своим существованием действию независимых друг от друга особых начал т. н. невесомых субстанций; напр., тепловые явления рассматривались как проявления особого невесомого вещества — теплорода, избыток к-рого в телах обусловливает их более высокую температуру. Невесомых материй придумывали столько, сколько необходимо было для объяснения многих разрозненных групп явлений. Считали, что каждое из этих веществ сохраняется, переходя лишь от одного тела к другому. Так были установлены законы сохранения теплорода, «электрической жидкости», «магнитной жидкости», флогистона (химич. субстанции) и т. д. Движение же рассматривалось как свойство, не существенное для материи: оно может возникать из ничего под действием сил и исчезать. Так, ещё Ньютон полагал, что при трении и неупругом ударе механич. движение бесследно исчезает. Подобные взгляды господствовали в физике в течение 18 в., несмотря на ряд фактов, им явно противоречащих и уже тогда известных физикам. Так, Румфорд и Дэви открыли, что теплота образуется в неограниченном количестве при трении за счёт механич. работы: отсюда они сделали заключение, что теплота — не вещество, а форма движения. Однако, вопреки этим фактам, большинство учёных того времени продолжало держаться неверных взглядов по этому вопросу. Потребовался глубокий перелом в физике, связанный в конечном счете с промышленным переворотом, чтобы расчистить путь правильным взглядам на процессы природы.
Промышленный переворот поставил перед наукой новую проблему: каким образом можно от парового двигателя получить максимальное количество механической работы, как повысить коэффициент полезного действия (кпд) паровых машин. Исследования превращения теплоты в механическую работу неизбежно должны были привести к ломке консервативных взглядов на природу тепла. Начало 19 в. знаменуется также обширными исследованиями электричества (в особенности электрич. тока) и света, их связей с другими явлениями природы. Знаменитые открытия Ампера доказали, что особой «магнитной жидкости» не существует и что магнитное поле порождается электрич. током. Особую роль сыграли гениальные исследования Фарадея о связи электричества и магнетизма, электричества и химич. процессов, электричества и света и др. Так была подготовлена почва для формулирования всеобщего закона сохранения и превращения энергии, что было сделано независимо друг от друга несколькими учёными. После Ломоносова наиболее правильная и глубокая формулировка закона принадлежит Р. Майеру. Гельмгольц дал узко механистич. трактовку закона, рассматривая все процессы в природе как механич. перемещения мельчайших неизменных частиц, действующих друг на друга с центральными силами; все виды Э. сводились им, таким образом, к механич. Э., к-рая и сохраняется во всех процессах природы. В отличие от Гельмгольца Майер не сводил все виды Э. к механической, а считал их качественно различными формами «силы» (Майер, как и Гельмгольц, энергию называл силой), превращающимися друг в друга, однако не тождественными друг другу. Заслуга Джоуля состоит гл. обр. в экспериментальном доказательстве постоянства механич. эквивалента теплоты при превращениях теплоты в механич. движение и обратно; множеством опытов Джоуль доказал, что этот эквивалент не зависит от направления и способа превращения Э. Дальнейшее развитие физики привело к расширению количества известных видов Э. и к уточнению самой меры Э. различных видов. Начало 20 в. принесло новое обобщение закона. Теория относительности установила постоянное соотношение между массой тела и его полной Э. Оказалось, что масса пропорциональна полной Э. тела, т. е. Э. всех процессов, происходящих в теле. Закон сохранения массы — этот основной закон химии — оказался подчинённым закону сохранения и превращения Э. Таким образом, не существует тела, обладающего массой, к-рое вместе с тем не обладало бы соответствующей этой массе Э. Развитие квантовой теории привело к понятию о квантах Э., или о дискретных порциях Э., поглощаемых и излучаемых атомами и молекулами.
Закон сохранения и превращения Э. является, таким образом, основным законом природы. Этот закон подтверждает правоту материализма. Энгельс первый вскрыл всё значение этого закона для естествознания и дал глубокий анализ различных его трактовок. Естественно, что идеалисты разного рода, ведя борьбу с материализмом, неоднократно стремились опровергнуть закон. Так, при открытии радиоактивности, когда источник этого рода Э. ещё не был известен, идеалисты-физики (А. Пуанкаре) поспешили объявить, что закон сохранения Э. имеет ограниченное применение, ибо Э. при радиоактивном распаде возникает, якобы, из ничего. Несостоятельность этого идеалистич. вывода стала очевидной, как скоро стал известен источник радиоактивной Э., именно Э. ядерных процессов. Подобные идеалистич. выступления повторялись неоднократно, но оканчивались столь же безуспешно. Некоторые разновидности идеализма, формально признавая закон сохранения Э., извращали его содержание. Так, энергетики вообще отвергали существование материи, признавая только существование Э. Поэтому энергетики совершенно отрицали атомистич. учение и вообще какое бы то ни было учение о строении материи. Развитие учения об атомах и молекулах доказало со всей очевидностью несостоятельность и вредность взглядов энергетиков, к-рые в наст. время полностью отвергнуты в науке.