אנרגיה, בהגדרה פשוטה, היא כמות העבודה שכוח יכול לעשות. לדוגמה להרים כדור ששוקל קילוגרם אחד לגובה של מטר אחד: Energy=MassxGravityxheight , במקרה הפשוט שמוזכר לעיל 1kgx9.8m/sec2x1m=9.8joule=2.34calories, כלומר האנרגיה הדרושה להרמה היא 9.8 ג'ול או 2.34 קלוריות.
האנרגיה יכולה להחליף צורות: למשל, אם אנו בועטים בכדור, אנו מקנים לו אנרגיה קינטית (תנועה), המתחלפת באנרגיית כובד ככל שהכדור עולה למעלה. חלק מהאנרגיה עשויה להתחלף באנרגיית חום, בשל חיכוך הגדור עם האוויר, אבל הדבר החשוב הוא שהאנרגיה אינה נעלמת, אלא רק משנה צורה או עוברת מגוף לגוף, אבל נשמרת.
דרך אינטואיטיבית יותר להסתכל על אנרגיה היא כמו על כסף: אפשר להשתמש בו לבצע עבודה, או לחילופין לעשות עבודה כדי להרוויח כסף, כך שלכאורה מדובר בשתי צורות שונות של אותו דבר.
חוק שימור האנרגיה משמעותו שהאנרגיה של מערכת סגורה נשמרת אם כוחות חיצוניים לא עושים עליה עבודה. דוגמא למערכת סגורה היא רכבת הרים. האנרגיה הכובדית הנצברת ברכבת כשהיא עולה למעלה, מומרת לאנרגיה קינטית שמטיסה את הרכבת במורד המסלול וכן לאנרגיית קול שנשמע ולאנרגיית חום של המסילה והאוויר. כל הרכיבים האלה הם מערכת סגורה ובמערכת הזאת כאמור יש שימור אנרגיה.
דוגמה נוספת: אם אנו שומטים כדור ממגדל בגובה 10 מטר, הוא ממיר את אנרגיית הכובד באנרגיה מכאנית בפגישה עם הקרקע, וזו זורקת אותו כלפי מעלה. בגלל החיכוך עם האוויר, ואנרגיה שעברה לקול הפגיעה בקרקע, הוא יחזור לגובה נמוך מעט יותר מזה ששמטנו אותו. לעומת זאת, אם אסטרונאוט יחזור על הניסוי על הירח, שם אין חיכוך עם האוויר (ולכן גם לא נוצר קול), הכדור אמור לחזור בדיוק לאותו הגובה – בהנחה שהקרקע זהה.
בנסיעה במכונית, האנרגיה הכימית שנמצאת בדלק מומרת לאנרגיה מכאנית של הרכב. מכיוון שניצולת הדלק אינה מושלמת, רק חלק מהאנרגיה אכן מומר לתנועה של המכונית, אבל בגלל שימור האנרגיה היא אינה נעלמת. רובה מומר לאנרגיית חום, ולכן יש ברכב מערכת לקירור המנוע וסילוק החום העודף.
אנרגיה ומסה
אם אנרגיה אינה נעלמת, אלא רק משנה צורה, משמעות הדבר שכל האנרגיה כבר נמצאת ביקום. במילים אחרות, אפשר להבין מחוק שימור האנרגיה, שאנרגיה אינה נוצרת יש מאין. למעשה, זה כמעט נכון. בשנת 1905 פרסם אלברט איינשטין את תורת היחסות הפרטית ובתוכה המשוואה המפורסמתE=Mc2 . משמעות המשוואה הוא שמסה יכולה להתגלגל לאנרגיה ואנרגיה יכולה להתגלגל למסה. למשל, במאיצי חלקיקים, שם מתרחשות התנגשויות של חלקיקים הטעונים באנרגיה עצומה, לעיתים יש בסוף התהליך מסה גבוהה מזו ההתחלתית – כלומר אנרגיה הפכה לחומר. לחילופין, בפצצת אטום, חלק קטן מהמסה הופך לאנרגיה, המשתחררת בפיצוץ, והיא הגורמת לתוצאות ההרסניות של הפצצה.
מכיוון שמסה יכולה להפוך לאנרגיה ולהיפך, וחוק השימור חל על שתיהן, אפשר לקרוא לו חוק שימור המסה והאנרגיה.
לפי חוק שימור המסה והאנרגיה, היכן עדיף להתנדנד בנדנדה, על כדור הארץ או בתחנת החלל הבינלאומית? בכדור הארץ נשקיע אנרגיה התחלתית ונזדקק לתוספת אנרגיה קטנה כל פעם לחפות על העבודה שהאוויר עושה על ידי כח חיכוך. אולם בתחנת החלל נצטרך להשקיע פעם אחת אנרגיה כדי ליצור את תחילת התנועה ואז נצטרך להשקיע שוב את אותה אנרגיה כדי לעצור. כך שלמעשה התשובה תלויה בשאלה אחרת: כמה זמן אנחנו רוצים להתנדנד?