In der Physik wird oft mit Denkmodellen gearbeitet. In Gedanken kann man fordern, was in der Natur nicht möglich ist:
So versteht man unter einem „geschlossenem System“ einen Raum, aus dem keine Materie und keine Energie entweichen darf. Jetzt kann man die Vorgänge innerhalb dieses Systems untersuchen und zu Schlussfolgerungen gelangen.

Anschließend versucht man technisch oder im Experiment einem solchen Gedankenmodell möglichst nahe zu kommen. Bezogen auf Wärmeenergie wäre dies beispielsweise eine gute Isolierung des Raums.

In einem geschlossenen System gilt daher der Energieerhaltungssatz, der einer der am genauesten experimentell gesicherten Sätze der Physik ist. Man bezeichnet Energie als Erhaltungsgröße. Die Energieerhaltung ist über das Noether-Theorem eine Folge der Unabhängigkeit der physikalischen Gesetze von der Zeit.

Genau genommen ist die Energie allerdings nur erhalten, wenn man auch Masse als eine Energieform betrachtet. Siehe Äquivalenz von Masse und Energie.

In offenen Systemen hat die Energie Neigung, den zur Verfügung stehenden Raum gleichmäßig auszufüllen. Die dabei auftretenden und zu beobachtenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten führen zur Entropie S, einer thermodynamischen Zustandsgröße der Form Energie je Temperatur.

Durch eine am System verrichtete Arbeit W wird die Energie des Systems erhöht. Verrichtet das System selbst Arbeit, so wird seine Energie geringer. Die Arbeit verursacht hier also eine Zustandsänderung in Form einer Temperatur-, Form-, Lage- oder Geschwindigkeitsänderung.

Sie ist keine Form von Energie, sonderen eine Energiedifferenz zwischen zwei Zuständen.

In der Physik der Felder verwendet man den Begriff des Potentials als Fähigkeit eines Kraftfeldes, einen Körper Arbeit verrichten zu lassen. Sie ist von allfälligen Körpern unabhängig, sondern beschreibt das Feld selbst. Sie hat die Form Energie je Masse im Gravitationsfeld und Energie je Ladung im elektrischen Feld.

Der Begriff Energienutzung bezieht sich auf die Umwandlung von einer Energieform in eine andere Energieform. Eine Energieerzeugung ist aufgrund des Energieerhaltungssatzes nicht möglich. Das gleiche gilt für Energieverbrauch, Energieverschwendung, Energiesparen und Energieverlust. In der Umgangssprache werden diese Worte oft mit moralischer Wertung für die Energieumwandlung verwendet.

Physikalisch sinnvoller als der Energieverlust ist der Begriff der Energieentwertung. Darunter versteht man die Tatsache, dass sich bei allen realen Energieumwandlungen der Anteil der nutzbaren Energie vermindert. Es ist nicht möglich, Energieformen vollständig ineinander umzuwandeln. Insbesondere ist es unmöglich, dass ein System seine Wärmeenergie komplett als Arbeit abgibt.

Beispiele für die Energieumwandlung sind

• die Erzeugung von Licht und Wärme aus dem Energieträger elektrische Energie über einen Heizwiderstand oder eine Glühlampe.
• die Umwandlung der elektrischen Energie mit Hilfe des Elektromagnetismus in kinetische Energie (Elektromotor).

Chemische Energie eines Brennstoffs kann in Wärmeenergie umgewandelt werden oder die eines Kraftstoffs in Verbrennungsmotoren in kinetische Energie. Abhängig vom Wirkungsgrad der Motore geht ein relativ großer Anteil der verbrauchten Energie als Abwärme verloren.

Kinetische Energie wird bei der Bewegung entgegen dem Schwerefeld der Erde, also bergauf, in potentielle Energie oder über Reibung in Wärmeenergie oder akustische Energie umgewandelt.

In Kraftwerken wird der Energieträger elektrischer Strom auf unterschiedliche Arten erzeugt:

• Entweder wird dabei potentielle Energie (im Speicherkraftwerk) oder kinetische Energie (im Laufkraftwerk oder in einer Windkraftanlage) über Turbinen und Generatoren in elektrische Energie umgewandelt oder
• es wird der Umweg über eine Wärmekraftmaschine gewählt, um aus Wärme zunächst Dampf zu erzeugen, die dann die Turbine antreibt. Beispiele sind Wärmekraftwerke, die mit Kohle, Öl, Gas, Biomasse, Kernenergie oder auch Müll betrieben werden.

Strahlungsenergie, auch in Form von akustischer Energie, wird beim Auftreffen auf eine absorbierende Fläche meistens in Wärmeenergie verwandelt.

Mit Energieversorgung und -verbrauch(*) wird die Nutzung von verschiedenen Energien in für Menschen gut verwendbaren Formen bezeichnet. Die von Menschen am häufigsten benutzten Energieformen sind Wärmeenergie und Elektrizität. Die menschlichen Bedürfnisse richten sich vor allem auf die Bereiche Heizung, Nahrungszubereitung und den Betrieb von Einrichtungen und Maschinen zur Lebenserleichterung. Hierbei ist das Thema Fortbewegung und der Verbrauch z. B. fossiler Energiequellen in Fahrzeugen nicht unerheblich.

Die verschiedenen Energieträger können über Leitungen die Verbraucher erreichen, wie typischerweise elektrischer Energie, Erdgas, Fernwärme und Nahwärme, oder sie sind weitgehend lagerfähig und beliebig transportfähig, wie z. B. Steinkohle und Braunkohlen, Heizöle, Kraftstoffe (Benzine, Dieselkraftstoffe), Industriegase, Kernbrennstoffe (Uran), Biomassen (Holz u. a.).

Der Energieverbrauch ist weltweit sehr unterschiedlich und in den Industrieländern um ein vielfaches höher als z. B. in der Dritten Welt. In industriell hoch entwickelten Ländern haben sich seit dem 19. Jahrhundert Unternehmen mit der Erzeugung und Bereitstellung von Energie für den allgemeinen Verbrauch beschäftigt. Hierbei steht die zentrale Erzeugung von elektrischer Energie sowie die Übertragung an die einzelnen Verbraucher im Vordergrund. Weiterhin ist die Beschaffung, der Transport und die Verwandlung von Brennmaterial zu Heizzwecken ein wichtiger Wirtschaftszweig.

Ca. 40 Prozent des weltweiten Energiebedarfes wird durch elektrische Energie gedeckt. Spitzenreiter im Verbrauch dieses Anteils sind mit ca. 20 Prozent elektrische Antriebe. Danach ist die Beleuchtung mit 19 Prozent, die Klimatechnik mit 16 Prozent und die Informationstechnik mit 14 Prozent am weltweiten elektrischen Energiebedarf beteiligt.

(*) Energie kann nicht im eigentlichen Sinne verbraucht werden, sie kann nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden (Energieerhaltungssatz). Bei einer Energieumwandlung treten oft Energieformen auf, die man in der gegebenen Situation nicht nutzen kann (z. B. Wärmeenergie durch Reibung), der tatsächlich nutzbare Anteil ist dann kleiner als 100 % (Wirkungsgrad).