En bref:

Deux formes d'énergie qui s'échangent: potentielle et cinétique >>>

Deux principes: la conservation et la dégradation de l'énergie     >>>

Deux attributs indissociables de la matière: énergie et masse     >>>

L'énergie est le grand mystère de la physique.

Richard Feynman (1918-1988) – Créateur de l'électrodynamique quantique.

On connaît diverses formes d'énergie: mécanique, électrique, thermique, chimique. On sait que ces diverses formes d'énergie se transforment les unes dans les autres et qu'il existe un grand principe qui est celui de la conservation de l'énergie. On écrit des formules mathématiques qui permettent de calculer l'énergie, par exemple cinétique: ½ mv² (m = masse, v = vitesse).

Claude Allègre – La science est un défi du XXIe siècle – Plon – 2009 – page 33.

 

 

 

Approche

*        Les sources d'énergie permettent de faire marcher les machines, de chauffer les maisons, d'éclairer les foyers …

*        Il est possible de transformer le travail d'une machine, la chaleur, l'énergie chimique ou encore l'électricité.

*        Ces transformations s'opèrent toujours selon des rapports quantitatifs strictement définis.

*        C'est ce constat qui a conduit à définir la notion d'énergie comme trait commun de ces formes variés de la physique en mouvement ou en transformation.

 

 

Définition

*        Énergie: grandeur caractérisant un système et exprimant sa capacité à modifier l'état d'autres systèmes avec lesquels il entre en interaction.
En mécanique, c'est la capacité de travail.

*        Sources d'énergie: ensemble des matières premières ou des phénomènes naturels utilisés pour la production d'énergie: charbon, hydrocarbures (pétrole), uranium, soleil, cours d'eau, marées, vent, etc. 

*        Thermodynamique: partie de la physique qui traite des relations entre chaleur et mouvement (phénomènes mécaniques). >>>

Unité

Symbole pour énergie : E.

 

*        Trois unités d'énergie: le joule (unité SI), et deux autres utiles selon le contexte: l'électronvolt et le kilowattheure:

 

*          Le joule (J) est l'unité de mesure, à la fois, de travail, d'énergie et de quantité de chaleur.

 

Un joule  est équivalant au travail produit par une force de 1 newton dont le point d'application se déplace de 1 m dans la direction de la force.

 

*          Dans le domaine atomique, l'unité de travail est l'électronvolt (eV) avec 1 eV = 1,6 10-19 J.

 

*          Dans la vie courante, une source d'énergie qui débite 1 kilowatt pendant une heure délivre une énergie de 1 kilowattheure (kWh), ce qui est égal à 3 600 kJ ou 3,6 106 J.


Rappel: Le watt (W) est l'énergie de 1 joule délivrée en une seconde; c'est l'unité de puissance. >>>

 

Application

*        Les applications pratiques  de la notion d'énergie posent trois sortes de problèmes:

*          la source d'énergie,

*          le transport, et

*          l'utilisation

*        Il est souvent nécessaire de transformer l'énergie sous une autre forme pour la transporter.

*        La seule source d'énergie extérieure à la Terre et utilisable actuellement est le Soleil. Le Soleil rayonne par an une énergie de 16 1015 kWh.

 

Formes

Énergie mécanique sous deux formes:

*          Énergie potentielle (EP) d'un poids soulevé, d'un ressort comprimé, d'un aimant, bref, énergie qui peut être libérée lorsqu'un objet est soumis à un champ de force. Dans le cas de la pesanteur, selon la masse m et la hauteur h à laquelle se trouve l'objet, l'énergie potentielle vaut:

EP = k. m. h

*          Énergie cinétique (EC) d'une masse en mouvement. Selon la masse m et la vitesse v, elle vaut:

Ec = ½ m.v²

Il faut dépenser un travail mécanique égal à ½ m.v² pour faite passer un objet de masse m de repos à la vitesse v.

 

Exemple du pendule:

*          En position haute le balancier du pendule possède une énergie potentielle maximale et aucune énergie cinétique;

*          En position basse, il est au maximum de vitesse donc d'énergie cinétique, alors que son énergie potentielle est au minimum car il passe à son point le plus bas;

*          Dans sa course du bas vers le haut, le balancier perd de sa vitesse et, en même temps, de l'énergie cinétique; alors qu'il s'élève en hauteur et gagne donc de l'énergie potentielle.

Exemple du toboggan ou du grand huit:

*            Je monte l'échelle du toboggan: je fais croître mon énergie potentielle. Je me laisse glisser: je prends de la vitesse; mon énergie potentielle se transforme en énergie cinétique.

*            En haut du grand huit, l'énergie potentielle est maximale. C'est elle qui va se débobiner en énergie cinétique pour me lancer à toute vitesse dans les descentes. L'énergie cinétique accumulée le long d'une descente sera suffisante pour me faire remonter la prochaine bosse et recommencer une descente folle. Compte-tenu des frottements, la somme des énergies potentielle et cinétique s'amenuise; une partie se dissipe en chaleur. Le mouvement de montées-descentes s'amortit progressivement.

 

Exemple de l'arc:

*          Un arc bandé offre une énergie potentielle qui, lorsque la flèche est libérée, se transforme en énergie cinétique pour la flèche.

*          Même chose pour le lance-pierre: le travail fourni pour tendre l'élastique est emmagasiné sous forme d'énergie potentielle. Cette énergie est transformée en énergie cinétique du projectile.

 

*        La plupart des manifestations de l'énergie peuvent être ramenées à de l'EP ou de l'EC.

Énergie potentielle

Énergie cinétique

·    Gravitationnelle (altitude),

·    Ressorts

·    Aimants

·    Réactions chimiques,

·    Liaisons des atomes,

·    Énergie électrostatique emmagasinée dans les condensateurs,

·    Tout corps en mouvement,

·    Chaleur (EC des molécules; agitation thermique)

 

Types

*          Énergie chimique,

*          Énergie de liaison des atomes,

*          Énergie électrique,

*          Énergie éolienne,

*          Énergie géothermique,

*          Énergie issue des déchets

*          Énergie marémotrice,

*          Énergie mécanique,

*          Énergie nucléaire,

*          Énergie rayonnante,

*          Énergie solaire,

*          Énergie thermique,

*          etc.

Voir Classement des types d'énergie

 

Principes de la thermodynamique

Premier principe: conservation de l'énergie

*        Dans l'Univers , la quantité d'énergie est invariable; elle peut se manifester sous des formes diverses.

*        Un système isolé est une portion d'espace qui n'a aucune interaction avec le milieu extérieur. Alors, ce système isolé a une énergie totale constante.

*        Il ne peut donc y avoir création ou disparition d'énergie ("rien ne se perd et rien ne se crée"); il y a seulement transformation d'une forme d'énergie en une autre ou transfert d'énergie d'un système à un autre.

*        La machine à mouvement perpétuel ne peut pas exister!

*        Selon ce principe, l'énergie mécanique (potentielle + cinétique), comme dans le cas du pendule (sans frottement) est un invariant. Dans le cas général, il faut ajouter l'énergie thermique:

Énergie mécanique + Énergie thermique

= Constante.

 

Deuxième principe: dégradation de l'énergie

*        Une transformation d'énergie s'accompagne toujours de pertes. Par exemple la conversion nucléaire / électricité ne se réalise pas avec un rendement de 100%, loin s'en faut. Mais la quantité d'énergie est toutefois conservée avec la création d'énergie calorifique non désirée, mais bien présente!

*        Il est impossible de convertir intégralement de la chaleur ou toute autre forme d'énergie en travail. Une partie de cette énergie donne de la chaleur. Voir l'exemple du grand huit.

*        Dans un système isolé, toute conversion va conduire à une dégradation de l'énergie globale. Suite à ce phénomène de dégradation, il est possible de qualifier la qualité de l'énergie présente dans le système isolé: c'est entropie qui caractérise le niveau de désordre du système.

Voir Les quatre principes de la thermodynamique

 

 

 

Énergie et masse

*        C'est Einstein qui a introduit sa merveilleuse formule indiquant que masse et énergie sont équivalentes: E = m .

*        Énergie et masse sont des attributs de la matière, et elles sont inconcevables l'une sans l'autre. Toute énergie a un support matériel et tout corps possède de l'énergie.

 

Les acteurs précurseurs

*          Sadi Carnot (1796-1832): physicien français.

1824: il énonce le deuxième principe de la thermodynamique dans Réflexions sur la puissance motrice du feu

1831: énonce le premier principe.

 

*          Robert von Mayer (1814-1878), physicien et médecin allemand (Heilbronn).

1842: il détermine l'équivalent mécanique de la calorie et énonce le principe de la conservation de l'énergie.

*          James Joule (1818-1889), physicien britannique.

1842: Il étude la chaleur dégagée par les courants électriques dans les conducteurs et détermine l'équivalent mécanique de la calorie.

           Il énonce le principe de conservation de l'énergie mécanique et, utilisant la théorie cinétique des gaz, calcule la vitesse moyenne des molécules gazeuses.

*          Hermann von Helmholtz (1821-1894), physicien et physiologiste allemand.

          Il a introduit la notion d'énergie potentielle et énoncé le principe de conservation de l'énergie.

 

Anglais

*        Energy: the capacity for doing work

*        Potential energy is energy deriving from position such as an object raised to a height above the earth's surface.

*        Moving bodies possess kinetic energy.

*        Energy exists in many forms: mechanical energy, heat energy, chemical energy, light energy, nuclear energy, solar energy, wind power

*        Energy can be converted from one form to another, but the total quantity stays the same: conservation law. For example, as an apple falls it loses potential energy but gains kinetic energy.

*        Although energy is never lost, after a number of conversions it tends to finish up as kinetic energy of random motion of molecules at low temperature. This is degraded energy in that it is difficult to convert back to other forms.

*        Joule, a unit of measurement of energy or work. It is the work done when a force of one newton displaces an object through a distance of one meter in the direction of the force.

 

En savoir plus

 

*           E = mc²

*           Énergie dans le monde

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*           Énergie nucléaire

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