L'énergie est l'un des concepts de base de la physique, lié à une propriété fondamentale : un système isolé a une énergie totale constante. Il ne peut donc y avoir création ou disparition d'énergie, mais simplement transformation d'une forme d'énergie d'un système à un autre.

L'énergie peut se présenter sous diverses formes : énergie lumineuse (ou rayonnante), chimique, thermique, hydraulique, mécanique (cinétique ou potentielle), électrique ou nucléaire. Ainsi, sur la Terre, l'énergie lumineuse (ou électromagnétique) provenant du Soleil est à la base de presque toutes les formes d'énergie actuellement disponibles. Elle est nécessaire pour entretenir les réactions biochimiques de la vie végétale ou animale.

Conversion.

Les formes sous lesquelles l'énergie se présente dans la nature conviennent rarement telles quelles aux besoins. Il faut donc la transformer en une forme plus appropriée. À toute conversion d'énergie correspondent des pertes qui peuvent être très importantes. C'est le cas de la conversion d'énergie dite « dégradée » (énergie thermique) en des formes d'énergie plus nobles (énergie mécanique, par exemple), qui se fait avec de mauvais rendements, dont Carnot a fixé le maximum théorique.

Production, utilisation et stockage d'énergie.

L'énergie n'étant pas toujours utilisable, transportable ou stockable sous sa forme primaire, l'homme doit disposer de formes d'énergie secondaires commodes dites « vecteurs énergétiques » (électricité, hydrogène, gaz, fluides transporteurs de chaleur). La production et les besoins d'énergie étant variables, il faut stocker l'énergie quand la production l'emporte, de façon à pouvoir déstocker quand les besoins sont supérieurs. Le stockage est facile pour les combustibles fossiles mais problématique (pompage hydraulique, stockage thermique) pour les nouvelles formes d'énergie.

Économies d'énergie.

Pour réaliser des économies d'énergie, de nouvelles technologies sont mises en œuvre. On peut citer : l'énergie totale, ou production simultanée de chaleur et d'énergie mécanique ou électrique à partir d'un seul combustible, et les pompes à chaleur, qui extraient la chaleur du milieu extérieur (air, eau) à partir d'énergie mécanique de compression. Mais bien des technologies classiques peuvent aussi être perfectionnées : isolation renforcée, diminution des frottements, etc.

Production et consommation d'énergie.

L'énergie a des sources et des formes variées, et sa mesure globale nécessite d'utiliser une unité commune : la tonne équivalent pétrole (tep). L'équivalence de 1 t de pétrole (tep) se situe à 1,5 t pour la houille, à près de 4 t pour le lignite, à 1 100 m³ pour le gaz naturel, à 4 500 kWh pour l'électricité primaire. La production mondiale s'élevait à 500 Mtep vers 1900, environ 1 500 Mtep à la veille de la Seconde Guerre mondiale, s'accroissant rapidement après celle-ci, jusqu'en 1974 (6 000 Mtep). La progression s'est ralentie avec les chocs pétroliers et la crise des années 1980, mais est repartie à la hausse pour atteindre 12 milliards de tep en 2011. Le charbon (houille et, accessoirement, lignite) a été longtemps prépondérant, et représentait encore 75 % de la production énergétique mondiale en 1937. Il a été supplanté dans les années 1960 par le pétrole : 45 % de la production totale en 1973. La part du pétrole est de 32 % aujourd'hui, celle du charbon est remontée à 31,5 %. Le poids du gaz naturel s'accroît grâce aux nouvelles techniques d'extraction : il satisfait aujourd'hui environ 23,5 % des besoins énergétiques. La part de l'électricité primaire issue du nucléaire est de 4,7 % tandis que l'ensemble des énergies renouvelables atteint maintenant 8 % au total.

Une grande partie de la production d'énergie provient d'un petit nombre de pays ou régions : les États-Unis (qui commencent à combler leur déficit par l'exploitation des hydrocarbures non conventionnels comme le gaz de schiste), la Russie (un potentiel énorme), et le Moyen-Orient (pétrole essentiellement). Entre 1973 et 2011, la part des pays de l'OCDE dans la consommation totale est passée de 61,7 % à 45 %, tandis que celle de l'ensemble Asie-Pacifique est désormais de 39 % (21 % pour la Chine) contre environ 15 % il y a trente ans.