Energie

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Energie

√Čnergie

Page d'aide sur l'homonymie Cet article concerne la quantit√© physique. Pour les autres significations, voir √Čnergie (homonymie).

L'√©nergie (du grec : őĶőĹőĶŌĀő≥őĶőĻőĪ, energeia, force en action[1]) est la capacit√© d'un syst√®me √† produire un travail entra√ģnant un mouvement, de la lumi√®re ou de la chaleur. C'est une grandeur physique qui caract√©rise l'√©tat d'un syst√®me et qui est d'une mani√®re globale conserv√©e au cours des transformations. Dans le Syst√®me international d'unit√©s, l'√©nergie s'exprime en joules.

Sommaire

Formes d’énergie

L‚Äô√©nergie se manifeste sous diverses formes :

On qualifie √©galement l‚Äô√©nergie selon la source d‚Äôo√Ļ elle est extraite ou le moyen par lequel elle est achemin√©e: l‚Äô√©nergie nucl√©aire, l‚Äô√©nergie de masse, l‚Äô√©nergie solaire, l‚Äô√©nergie √©lectrique, l‚Äô√©nergie chimique, l‚Äô√©nergie thermique, l‚Äô√©nergie √©olienne... L‚Äô√©nergie m√©canique d√©signe la combinaison de l‚Äô√©nergie cin√©tique et de l‚Äô√©nergie potentielle m√©canique.

Principe de conservation de l'énergie

L'énergie ne peut ni se créer ni se détruire mais uniquement se transformer d'une forme à une autre (principe de Mayer) ou être échangée d'un système à un autre (principe de Carnot). C'est le principe de conservation de l'énergie.

Ce principe empirique a √©t√© valid√©, bien apr√®s son invention, par le th√©or√®me de Noether. La loi de la conservation de l'√©nergie d√©coule de l'homog√©n√©it√© du temps. Elle √©nonce que le mouvement ne peut √™tre cr√©√© et ne peut √™tre annul√© : il peut seulement passer d'une forme √† une autre. Afin de donner une caract√©ristique quantitative des formes de mouvement qualitativement diff√©rentes consid√©r√©es en physique, on introduit les formes d'√©nergie qui leur correspondent.

La foudre illustre généralement l'énergie à l'état naturel. Paradoxalement elle en contient assez peu. Sa violence vient surtout de la rapidité et de l'extrême localisation du phénomène.

Définition

Le mot √©nergie vient du bas-latin energia qui vient lui-m√™me du grec ancien ŠľźőĹő≠ŌĀő≥őĶőĻőĪ (energeia), qui signifie ¬ę force en action ¬Ľ[1], par opposition √† őīŌćőĹőĪőľőĻŌā (dynamis) signifiant ¬ę force en puissance ¬Ľ.

L‚Äô√©nergie est un concept ancien. Apr√®s avoir exploit√© sa propre force et celle des animaux, l‚Äôhomme a appris √† exploiter les √©nergies contenues dans la nature (d‚Äôabord les vents, √©nergie √©olienne et les chutes d‚Äôeau, √©nergie hydraulique) et capables de lui fournir une quantit√© croissante de travail m√©canique par l‚Äôemploi de machines : machines-outils, chaudi√®res et moteurs. L‚Äô√©nergie est alors fournie par un carburant (liquide ou gazeux, √©nergie fossile ou non).

L‚Äôexp√©rience humaine montre que tout travail requiert de la force et produit de la chaleur ; que plus on ¬ę d√©pense ¬Ľ de force par quantit√© de temps, plus vite on fait un travail, et plus on s‚Äô√©chauffe.

Comme l’énergie est nécessaire à toute entreprise humaine, l’approvisionnement en sources d'énergie est devenu une des préoccupations majeures des sociétés humaines.

√Čnerg√©tique

Relations entre les différents types d'énergies

Dans toutes les soci√©t√©s , l'activit√© humaine consomme de l'√©nergie qui peut √™tre produite par des mati√®res premi√®res, principalement charbon, gaz naturel, p√©trole et uranium ; on parle alors d'√©nergie fossile (sauf pour l'uranium) ; ces mati√®res premi√®res sont appel√©es par extension ¬ę √©nergies ¬Ľ. On parle aussi d'√©nergies renouvelables lorsque l'on utilise l'√©nergie solaire, l'√©nergie √©olienne , l'√©nergie hydraulique, l'√©nergie du bois qui est toujours une des plus importantes des √©nergies d'origine biomassiques renouvelables consomm√©es. (Voir aussi : politique √©nerg√©tique.) L'√©nergie est un concept essentiel en physique, qui se pr√©cise depuis le XIXe si√®cle.

On retrouve le concept d'√©nergie dans toutes les branches de la physique :

Approche vulgarisée

Une unit√© ¬ę universelle ¬Ľ

L'√©nergie est un concept cr√©√© pour quantifier les interactions entre des ph√©nom√®nes tr√®s diff√©rents ; c'est un peu une monnaie d'√©change commune entre les ph√©nom√®nes physiques. Ces √©changes sont contr√īl√©s par les lois et principes de la thermodynamique. L'unit√© officielle de l'√©nergie est le joule.

Lorsqu'un ph√©nom√®ne entra√ģne un autre ph√©nom√®ne, l'intensit√© du second d√©pend de l'intensit√© du premier. Par exemple, les r√©actions chimiques dans les muscles d'un cycliste lui permettent de provoquer le d√©placement du v√©lo. L'intensit√© de ce d√©placement (c'est-√†-dire la vitesse) d√©pend de l'intensit√© des r√©actions chimiques des muscles du cycliste, qui peuvent √™tre quantifi√©es (la quantit√© de sucre ¬ę br√Ľl√©e ¬Ľ par la respiration, le m√©tabolisme du muscle).

Prenons un autre exemple. Un moteur √† explosion fonctionne gr√Ęce √† une r√©action chimique : la combustion qui a lieu √† l'int√©rieur d'un cylindre. La r√©action du combustible (l'essence) avec le comburant (l'oxyg√®ne de l'air) produit du gaz avec √©mission de chaleur et de lumi√®re, ce qui se traduit par une augmentation de la temp√©rature et de la pression dans le cylindre ; la diff√©rence de pression entre ce gaz et l'atmosph√®re de l'autre c√īt√© du piston d√©place ce dernier, qui va, √† travers une transmission m√©canique, faire tourner les roues ainsi qu'un alternateur qui va produire de l'√©lectricit√©. Au passage, il y aura des frottements m√©caniques qui produiront un √©chauffement et une usure.

On a donc un r√©arrangement des mol√©cules (rupture et recr√©ation de liaisons chimiques) qui provoque une augmentation de la quantit√© de mouvement des mol√©cules (ce qui se traduit par une augmentation de la temp√©rature du gaz et donc une augmentation de sa pression). Ce dernier provoque le mouvement d'un solide (le piston), qui va entra√ģner un syst√®me de transmission, et pouvoir ainsi d'une part faire tourner un axe, qui peut √™tre par exemple reli√© aux roues d'une voiture ou bien √† un alternateur. L'entra√ģnement de la pi√®ce mobile de cet alternateur va faire tourner un aimant qui, par induction au sein d'une bobine, va provoquer un d√©placement d'√©lectrons (courant √©lectrique).

Le concept d'énergie va permettre de calculer l'intensité des différents phénomènes (par exemple la vitesse de la voiture et la quantité d'électricité produite par l'alternateur) en fonction de l'intensité du phénomène initial (la quantité de gaz et la chaleur produite par la réaction chimique de combustion).

Remarques
  • Dans les applications grand public, et notamment dans le domaine de la nutrition, on exprime fr√©quemment l'√©nergie en calories ; la calorie est en toute rigueur l'√©nergie qu'il faut fournir pour faire chauffer un gramme d'eau, aux conditions normales de pression et de temp√©rature, d'un degr√© Celsius, mais les nutritionnistes nomment par simplification ¬ę calorie ¬Ľ ce que les physiciens nomment ¬ę kilocalorie ¬Ľ.
  • En √©lectricit√©, on utilise le watt-heure (Wh), √©nergie consomm√©e pendant une heure par un appareil ayant une puissance d'un watt, ou encore son multiple le kilowattheure (kWh) qui vaut 1 000 Wh. Celui-ci n'est pas tr√®s √©loign√© du travail que peut effectuer un cheval en une heure (736 Wh par convention) except√© en termes de co√Ľt, car il revient en France en 2005 √† 7 centimes d'euro.
  • Pour des raisons thermodynamiques (second principe), toute transformation √©nerg√©tique r√©elle est irr√©versible, ce qui veut dire qu'en inversant l'op√©ration (exemple : retransformer en mouvement via un moteur √©lectrique l'√©nergie produite par la dynamo d'un v√©lo) on ne retrouve pas la quantit√© l'√©nergie consomm√©e au d√©part. Cela est li√© aux pertes.

L'énergie et la révolution industrielle

Le concept d'√©nergie est fondamental pour l'√©tude des ph√©nom√®nes de transformation (comme la chimie et la m√©tallurgie) et de transmission m√©canique, qui sont la base de la r√©volution industrielle. Le concept physique d'√©nergie est donc logiquement n√© au XIXe si√®cle.

En 1686, Leibniz montre que la quantit√© m¬∑v2, appel√©e ¬ę force vive ¬Ľ, se conserve. En 1788, Lagrange montre l'invariance de la somme de deux quantit√©s, que l'on appellera plus tard ¬ę √©nergie cin√©tique ¬Ľ et ¬ę √©nergie potentielle ¬Ľ.

Au XIXe si√®cle, on parvient par une s√©rie d'exp√©riences √† mettre en √©vidence des constats ou lois :

  • On constate que la chute d'un poids donn√© d'une m√™me hauteur produit toujours le m√™me √©chauffement (calorim√©trie) ;
  • Et que si la vitesse finale n'est pas nulle, la hausse de temp√©rature est moindre, comme si seulement une partie de la chute √©tait convertie en vitesse et le reste en chaleur ;
  • De m√™me un √©chauffement pourra produire une dilatation, une augmentation de pression, qui elle-m√™me permettra de ¬ę produire un travail ¬Ľ par exemple en d√©pla√ßant une masse ;
  • Le total est toujours conserv√© : ainsi na√ģt le concept scientifique d'√©nergie, ¬ę chose ¬Ľ encore ind√©termin√©e mais dont on postule une propri√©t√© :
L'énergie se conserve dans tous les phénomènes, devenant tour à tour, pression, vitesse, hauteur, etc.

Ainsi, gr√Ęce √† l'√©nergie, on peut mettre en relation des observations aussi diff√©rentes qu'un mouvement, une rotation, une temp√©rature, la couleur d'un corps ou d'une lumi√®re, une consommation de sucre ou de charbon, une usure, etc.

Il appara√ģt √©galement que si l'√©nergie se conserve et se transforme, certaines transformations sont faciles ou r√©versibles et d'autres non.

Par exemple, il est facile de transformer de la hauteur de chute en √©chauffement, on peut le faire int√©gralement, en revanche l'inverse est difficile (il faut des appareils complexes) et une partie de l'¬ę √©nergie ¬Ľ devra √™tre diffus√©e et donc perdue. Cette observation sera √† la base de l'id√©e d'entropie.

√Ä partir du concept de conservation de l'√©nergie (en quantit√©), on pourra regarder d'un Ňďil diff√©rent des syst√®mes complexes (notamment biologiques et chimiques) qui violent apparemment cette loi et, on parviendra, moyennant de nouveaux progr√®s scientifiques, √† toujours valider le postulat ou principe de conservation de l'√©nergie.

√Čnergie et √©sot√©risme

L'√©nergie est donc ¬ę quelque chose ¬Ľ qui se conserve. Cependant, cette notion de ¬ę quelque chose ¬Ľ est assez floue et assez bien illustr√©e par la boutade :

principe ‚ąí1 de la thermodynamique : l'√©nergie existe, la preuve, c'est qu'on la paie

(référence aux principes de la thermodynamique).

Cette notion floue a laiss√© l'image dans de nombreux esprits d'une sorte de fluide qui passerait d'un objet √† l'autre au cours des transformations, r√©miniscence du concept de phlogistique (un ¬ę fluide immat√©riel ¬Ľ cens√© v√©hiculer la chaleur)[2]. Cette vision, dite ¬ę substantialiste ¬Ľ a longtemps √©t√© sous-jacente par exemple dans les th√©ories de la chaleur (concept de ¬ę chaleur-substance ¬Ľ ou calorique), jusqu'au milieu du XIXe si√®cle. On la retrouve d'ailleurs dans la terminologie moderne de ¬ę capacit√© calorifique ¬Ľ, ¬ę chaleur latente¬Ľ, etc.

Faute d'un vocabulaire plus appropri√©, le terme ¬ę √©nergie ¬Ľ revient fr√©quemment dans les discours pseudo-scientifiques (avec les ondes) ou encore dans les ¬ę pratiques √©nerg√©tiques ¬Ľ (comme le Reiki, dans lesquelles l'√©nergie serait une substance d'origine divine). On entend ainsi parler d'√©nergie ¬ę pure ¬Ľ (alors que l'√©nergie ne fait que d√©crire l'√©tat de quelque chose d'autre), ou d'une ¬ę √©nergie encore inconnue ¬Ľ‚Ķ

La diff√©rence entre les ¬ę √©nergies ¬Ľ du discours pseudo-scientifique se situe au niveau de la d√©finition : en physique, l'√©nergie est une grandeur pr√©cis√©ment d√©finie, quantifiable et mesurable. Ceci implique que l'on puisse √™tre capable de mesurer pr√©cis√©ment l'√©nergie (cin√©tique, potentielle‚Ķ) ou ses variations, au moins du point de vue th√©orique. Ceci n'est pas le cas des pseudo-√©nergies telle que ¬ę l'√©nergie psychokin√©tique ¬Ľ ou ¬ę cosmique ¬Ľ qui ne sont pas v√©rifiables ni r√©futables, leur existence ne pouvant √™tre prouv√©e et donc non scientifiques.

Ainsi lorsque l'on parle ¬ę d'√©nergie cin√©tique ¬Ľ d'un corps, celle-ci peut √™tre pr√©cis√©ment d√©finie, pour un corps consid√©r√© comme ponctuel[3], et en m√©canique classique par la formule : E_{k}=\frac{1}{2}mv^2, o√Ļ m est la masse du corps et v sa vitesse dans le r√©f√©rentiel d'√©tude du mouvement. La quantit√© est donc clairement d√©finie, avec un domaine de validit√© pr√©cis (ici v < c et hors domaine quantique, corps ponctuel). Aucune formule (ni √† travers aucun fait) ne donnera jamais l'expression, m√™me approximative, de ¬ę l'√©nergie psychokin√©tique ¬Ľ dans les croyances de l'√©sot√©risme‚Ķ

Seule la math√©matisation du concept d'√©nergie permet d'√©viter les confusions et les contradictions inh√©rentes √† l'ancienne vision substantialiste et holistique. Ainsi l'√©nergie en g√©n√©ral ne peut √™tre d√©finie : ce n'est autre qu'une grandeur physique, num√©rique, associ√©e √† une situation concr√®te (par exemple, le mouvement d'un corps pour l'√©nergie cin√©tique, une interaction pour une forme d'√©nergie potentielle, etc.). C'est par le nombre que la notion d'√©nergie atteint un degr√© d'objectivit√© ad√©quat en physique moderne.

La confusion est en partie entretenue par des simplifications de langage, o√Ļ par commodit√© on √©nonce parfois que :

  • une onde est un transport d'√©nergie sans transport de mati√®re ;
    ‚ÄĒ ou bien ‚ÄĒ
  • la masse est une forme d'√©nergie : E = mc2 ;

alors que des formulations plus pr√©cises (mais parfois plus longues) seraient :

  • une onde propage une perturbation, dont l'intensit√© peut s'exprimer comme une √©nergie, sans transporter de mati√®re ;
    ‚ÄĒ et ‚ÄĒ
  • la masse peut se transformer en photons (d√©sint√©gration), en liaison nucl√©aire (la masse du noyau atomique est inf√©rieure √† la somme des masses des nucl√©ons pris individuellement), des photons peuvent se transformer en masse (transformation d'un photon gamma en paire √©lectron-positron) ; l'intensit√© de la masse peut donc comme tous ces ph√©nom√®nes s'exprimer sous la forme d'une √©nergie[4].

On ne peut donc pas séparer la notion d'énergie de la forme sous laquelle elle est stockée.

√Čnergie en sciences physiques

C'est une grandeur en ML2T ‚ąí 2 (joules).

En physique, l'√©nergie est une mani√®re d'exprimer l'intensit√© des ph√©nom√®nes ; c'est de fait une quantit√© mesurable, et qui s'exprime de mani√®re diff√©rente selon les transformations que subit un syst√®me (r√©action chimique, choc, mouvement, r√©action nucl√©aire etc.). L'√©nergie se d√©finissant de mani√®re diff√©rente selon les ph√©nom√®nes, on peut de fait d√©finir diverses ¬ę formes d'√©nergie ¬Ľ (voir plus loin).

Par ailleurs, d'apr√®s la loi de causalit√©, un ph√©nom√®ne a une cause ; c'est la variation d'intensit√© du ph√©nom√®ne-cause qui provoque la variation de l'intensit√© du ph√©nom√®ne-effet. Si les intensit√©s des ph√©nom√®nes cause et effet sont exprim√©es sous la forme d'une √©nergie, on voit alors que l'√©nergie se conserve (voir ci-apr√®s).

L'unité du système international pour mesurer l'énergie est le joule (J).

Certaines activit√©s utilisent d'autres unit√©s, notamment l'√©lectron-volt (1 eV = 1,602¬∑10‚ąí19 J), le kilowattheure (1 kWh = 3,6  MJ), la calorie (4,18 J), la Calorie (alimentaire : 4 180 J ; notez le C capitale), et le kilogramme en physique relativiste.

La thermodynamique est la discipline qui étudie les transformations de l'énergie qui font intervenir l'énergie thermique. Le premier principe affirme que l'énergie se conserve, le second principe impose des limitations au rendement de la transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique, électrique ou autre.

Travail et chaleur

Travail

Le travail est un transfert ordonné d’énergie entre un système et le milieu extérieur.

  • Consid√©rons un ensemble cylindre, piston, lequel est √† la base de l‚Äôobtention de travail m√©canique par action de la chaleur. √Ä l‚Äô√©chelle microscopique les chocs des particules de gaz sur le piston d√©finissent la pression exerc√©e sur celui-ci √† l‚Äô√©chelle macroscopique. Chaque choc contribue au d√©placement, concert√© avec les autres chocs, du piston dans la m√™me direction. Il y a addition des forces induites par chaque choc et c‚Äôest pourquoi le transfert d‚Äô√©nergie est consid√©r√© comme ordonn√©.
  • Si l‚Äôon consid√®re maintenant le travail √©lectrique. Il est d√Ľ au d√©placement des √©lectrons dans un conducteur sous l‚Äôinfluence d‚Äôun champ √©lectrique. Ici encore l‚Äôensemble des √©lectrons se d√©place dans la m√™me direction et les effets s‚Äôadditionnent au niveau macroscopique.

Chaleur

La chaleur est un transfert désordonné d’énergie entre le système et le milieu extérieur.

La chaleur est un transfert d’agitation thermique. L’agitation des particules se propage au gré des chocs dans toutes les directions, de façon désordonnée. C’est pour cette raison que l’on ne peut jamais transformer intégralement de l’énergie thermique en travail alors que l’inverse est possible ( ex: travail électrique transformé en chaleur par effet Joule dans un radiateur électrique ). On dit encore que la chaleur correspond à une dégradation de l’énergie.

Ce transfert thermique, appelé chaleur, s'effectue du système le plus chaud vers le plus froid, c’est-à-dire celui dont les particules sont statistiquement les plus agitées, va transmettre son agitation thermique au gré des chocs plus ou moins énergétiques, au milieu extérieur ou au système statistiquement le moins agité, c’est-à-dire le plus froid. Cette constatation intuitive est formalisée par le second principe de la thermodynamique.

Propriété

Le travail et la chaleur ne sont pas des fonctions d’état. Leur quantité, mise en jeu au cours d’une transformation, dépend de la façon dont on procède.

Rendement

L'√©nergie ¬ę lib√©r√©e ¬Ľ par un ph√©nom√®ne se disperse entre plusieurs autres ph√©nom√®nes.

Ainsi, dans une flamme (réaction chimique), une partie de l'énergie dégagée devient chaleur, une autre lumière, une autre fraction est stockée dans des molécules complexes, etc.

On nomme rendement le quotient entre l'énergie ayant la forme qui nous intéresse et l'énergie dépensée pour l'obtenir.

Dans le cas d'un moteur, par exemple, ce qui nous intéresse est le mouvement mécanique produit. Le reste de l'énergie est au mieux considéré comme perdu (cas de ce qui part en chaleur dans les gaz d'échappement), au pire nuisible (cas de ce qui part en travail d'usure physique ou chimique du moteur).

Un moteur √©lectrique id√©al, qui convertirait toute l'√©nergie du courant √©lectrique en mouvement m√©canique, aurait un rendement de 1 (ou de 100 %). En r√©alit√© celui-ci est aux alentours de 80-85 % seulement pour un moteur √† courant continu, et un peu moins pour ceux √† courant alternatif, √† cause de l'√©nergie dissip√©e en chaleur (pertes thermiques).

Le rendement réel est donc toujours inférieur à 1.

Dans certain cas, il peut appara√ģtre un ¬ę rendement ¬Ľ apparent sup√©rieur √† 1 :

  • une pompe √† chaleur (ou un climatiseur invers√©) donne couramment 3 fois plus de chaleur qu'on lui a inject√© d'√©nergie √©lectrique. C'est simplement parce qu'au lieu de dissiper cette √©nergie en chaleur par effet Joule, il est all√© chercher des calories √† l'ext√©rieur (f√Ľt-ce dans une eau √† 2 ¬įC, ce qui fait tout de m√™me encore 275,15 kelvins). Le rendement √©nerg√©tique est en fait √©gal √† 1 (par d√©finition, puisque l'√©nergie se conserve), et l'on pr√©f√®re nommer coefficient de performance le rapport des calories mises √† disposition par la pompe √† chaleur √† celui qu'aurait assur√© le seul effet Joule.
  • Un autre cas de rendement apparent sup√©rieur √† 1 provient d'une sous-estimation de l'√©nergie inject√©e pour des raisons historiques. Ainsi, les chaudi√®res ont traditionnellement pour r√©f√©rence l'√©nergie ¬ę PCI ¬Ľ (Pouvoir Calorifique Inf√©rieur) du combustible, qui suppose une combustion ne produisant que des gaz. Les chaudi√®res √† condensation, capables de r√©cup√©rer l'√©nergie thermique de la transformation de la vapeur d'eau en liquide, ont pu ainsi afficher des rendements apparents sup√©rieurs √† 1.

Loi de conservation

L'énergie est une quantité qui se conserve.

La notion de conservation est relativement simple à comprendre[5].

Si on met dans un volume quelque chose et que l'on ferme bien la bo√ģte, l'on s'attend √† y retrouver, lorsqu‚Äôon l‚Äôouvrira ult√©rieurement, ce qu'on y a mis. Ceci en physique s'appelle un principe de conservation ; la bo√ģte est l'ensemble des ph√©nom√®nes consid√©r√©s. Si on ne retrouve pas tout, c'est que une partie a pu sortir sous une forme ou une autre ou m√™me que ce qui manque (ou est en plus) a chang√© de forme et qu‚Äôon ne s'en est pas rendu compte. On a en fait ¬ę oubli√© de mettre un √©l√©ment dans la bo√ģte ¬Ľ, on a n√©glig√© d'inclure un ph√©nom√®ne dans le syst√®me.

Ce principe est tellement fort en physique qu’à chaque fois qu'il a paru ne pas être vérifié cela a conduit à des découvertes importantes. Chaque fois qu'il a semblé que l'énergie n'était pas conservée, il s'agissait en fait de sa transformation en une nouvelle forme. Par exemple, la radioactivité a un temps été interprétée comme la ré-émission de quelque chose qui était reçu de l'extérieur et l'explication est venue de l'équivalence masse énergie.

L'√©nergie dans un volume est donc d'office conserv√©e, par principe, et si elle diminue dans le volume, c'est qu'une partie en est sortie... ou qu'elle s'est transform√©e en quelque chose qu'il nous faut identifier : chaleur, masse, rayonnement, etc. La perte d'√©nergie, m√™me minime, est fr√©quemment due √† sa transformation en √©nergie thermique.

On est tent√© d'√©crire :

¬ę L'√©nergie se transforme d'une forme en une autre, mais ne dispara√ģt jamais. ¬Ľ

La formulation exacte serait :

¬ę Lorsque l'intensit√© d'un ph√©nom√®ne varie, cela ne peut se faire que par la variation d'un autre ph√©nom√®ne ; la somme des √©nergies repr√©sentant l'intensit√© de ces ph√©nom√®nes est une constante. ¬Ľ

Dans les processus radioactifs, le mouvement de la particule √©ject√©e, ou l'impulsion du photon cr√©√©, provient de la disparition de la masse ; on √©crit souvent par un raccourci que ¬ę l'√©nergie de masse se transforme en √©nergie cin√©tique ¬Ľ.

L'énergie d'une réaction chimique correspond à une variation de masse trop infime pour être mesurable, ce qui a fait croire un temps à la conservation de la masse dans les réactions chimiques. De fait, on considère toujours actuellement que la masse se conserve lors d'une réaction chimique, mais l'on sait que c'est une approximation.

Un résultat majeur de la physique théorique se basant sur le formalisme lagrangien, le théorème de Noether, montre que le fait que l'énergie se conserve est équivalent à la symétrie de translation dans le temps des équations de la physique.

Cette quantité est composée d'éléments divers (énergie thermique, énergie cinétique, énergie de masse, etc.), qui s'échangent dans un jeu qui est toujours à sommes nulles. Le théorème de Noether montre que cette caractéristique est équivalente à la symétrie des équations physiques par rapport à une translation dans le temps ou l'espace.

La conservation de la masse peut être vue comme une forme de conservation de l'énergie. C'est là le sens du E = mc2 d'Einstein.

Formes d'énergie

En pratique, on distingue souvent diff√©rentes ¬ę formes ¬Ľ d'√©nergie. Toutefois, il faut √™tre conscient que l'√©nergie sert √† mesurer l'intensit√© d'un ph√©nom√®ne, cette division n'est qu'une mani√®re de faire correspondre l'√©nergie au ph√©nom√®ne qu'elle mesure. Par ailleurs, cette distinction n'a rien d'absolu, mais d√©pend uniquement de la position de l'observateur : le principe de relativit√© s'applique aussi √† l'√©nergie, de sorte que le m√™me ph√©nom√®ne pourra √™tre analys√© en termes d'√©nergie ¬ę cin√©tique ¬Ľ, ¬ę √©lectromagn√©tique ¬Ľ, ou ¬ę potentielle ¬Ľ...

Les formes d'√©nergie classiquement consid√©r√©es sont :

Dans la th√©orie de la relativit√©, Einstein √©tablit l'existence de deux formes d'√©nergie seulement :

  • √Čnergie cin√©tique, due √† la masse et √† la vitesse relative du corps ;
  • √Čnergie de masse : masse et √©nergie au repos sont √©quivalentes (le fameux E= mc¬≤). Cette forme d'√©nergie inclut toutes les formes d'√©nergies pr√©c√©dentes dans la vision classique : un apport d'√©nergie ¬ę classique ¬Ľ ‚Äď telle que la tension d'un arc ‚Äď augmente la masse du syst√®me de fa√ßon g√©n√©ralement infime, sauf dans le cadre des r√©actions nucl√©aires. Par exemple, lors de fission nucl√©aire, la masse totale de mati√®re diminue l√©g√®rement. La masse ¬ę manquante ¬Ľ, immat√©rielle, est sous forme d'√©nergie cin√©tique des particules ou √©nergie thermique. Dans les centrales nucl√©aires, cette √©nergie thermique est ensuite r√©cup√©r√©e pour la production d'√©lectricit√©.

L'énergie non-consommée ou économisée (on parle alors de Négawatt) peut aussi être considérée comme des gisements énergétiques. La valorisation de tels gisements est souvent très rentable et plus créatrice d'emplois que la recherche de nouvelles ressources.

L'√Čnergie fatale : c'est l'√©nergie in√©luctablement pr√©sente ou pi√©g√©e dans un processus ou un produit, qui parfois et pour partie peut √™tre facilement r√©cup√©r√©e et valoris√©e ; Exemple : La France produisait dans les ann√©es 2000 plus de 25 millions de t/an de d√©chets m√©nagers dont 40 %, suite √† des retards dans la mise en place du recyclage √©taient encore trait√©s par incin√©ration. Le pouvoir calorifique de ces d√©chets est une forme d'√©nergie fatale. Sans r√©cup√©ration (r√©cup√©ration de chaleur, m√©thane, hydrog√®ne et/ou √©lectricit√©, etc., √©ventuellement avec co-ou tri-g√©n√©ration, cette √©nergie serait perdue dans l'environnement (dans les d√©charges) ou rejet√©e dans l'atmosph√®re. La combustion de d√©chets peut produire de la vapeur qui peut alimenter des serres, des usines ou un r√©seau urbain de chaleur. La m√©thanisation des d√©chets organiques peut produire de substantielles quantit√©s de m√©thane, et un compost valorisable en agriculture.

√Čnergie et puissance

Article d√©taill√© : Puissance (physique).

L'√©nergie d√©pens√©e pour cr√©er un ph√©nom√®ne mesure l'ampleur du ph√©nom√®ne final. Cette √©nergie est fournie par un autre ph√©nom√®ne, appel√© ¬ę ph√©nom√®ne moteur ¬Ľ.

Certains ph√©nom√®nes moteurs vont faire le travail rapidement, d'autres plus lentement ; par exemple, un manutentionnaire gringalet mettra longtemps avant de monter des parpaings un par un en haut de l'√©chafaudage, alors qu'un manutentionnaire muscl√© en portera plusieurs √† la fois et sera plus rapide (en revanche, le r√©sultat final sera exactement le m√™me).

Cette capacit√© √† mobiliser beaucoup d'√©nergie en un temps donn√© est appel√©e puissance du ph√©nom√®ne moteur :

la puissance est l'√©nergie fournie par un ph√©nom√®ne divis√©e par la dur√©e du ph√©nom√®ne, P = dE/dt.

La puissance se mesure en watts (1 W = 1 J/s)

√Čnergie dans le domaine du vivant

Chez les organismes vivants, l'énergie prend la forme d'énergie chimique soit directement disponible aux constituants enzymatiques des cellules (Adénosine tri-phosphate), soit stockées sous forme de sucres simples ou ramifiés (amidon), de graisse chez les animaux, d'huiles chez les végétaux.

Transferts thermiques

Les transferts thermiques font partie d'un domaine de la thermodynamique appelé thermodynamique irréversible, c'est-à-dire, pour simplifier, que le phénomène ne peut pas revenir en arrière.

L'√©nergie transf√©r√©e se pr√©sente essentiellement sous forme de chaleur qui va spontan√©ment d'une zone chaude vers une zone froide (Second principe de la thermodynamique). Ce transfert de chaleur peut √™tre accompagn√© d'un transfert de masse. Ce ph√©nom√®ne se pr√©sente sous trois formes diff√©rentes :

Chacun de ces trois modes est pr√©pond√©rant dans son univers de pr√©dilection : la conduction dans les solides, la convection dans les fluides en mouvement (liquides, gaz), le rayonnement dans le vide (o√Ļ c'est le seul mode possible).

La conduction

La conduction thermique est le ph√©nom√®ne par lequel la temp√©rature d'un milieu s'homog√©n√©ise. Il correspond √† la transmission de l'agitation thermique entre mol√©cules et se produit dans un solide, un liquide ou un gaz. Exemple : la temp√©rature d'un barreau chauff√© √† une extr√©mit√© a tendance √† s'uniformiser par conduction thermique.

La convection

La convection est le transfert de chaleur provoqu√© par le mouvement des particules d'un fluide. Il se produit dans un fluide en mouvement. Exemple : l'air chaud, moins dense, monte, transportant la chaleur du bas vers le haut.

Le rayonnement

Le rayonnement est le transfert de chaleur par propagation d'ondes √©lectromagn√©tiques ou par d√©sint√©gration radioactive. Il peut se produire dans tous les milieux, vide y compris. Exemple : la Terre est chauff√©e par le rayonnement du soleil.

√Čconomie de l'√©nergie

Article d√©taill√© : √Čnergie (secteur √©conomique).

Notes et références

  1. ‚ÜĎ a‚ÄČ et b‚ÄČ Petit Larousse Compact, 2002, page 379
  2. ‚ÜĎ L'inad√©quation de ce concept a √©t√© montr√©e par des machines √† frottement, montrant qu'on pouvait tirer de la mati√®re autant de phlogistique qu'on le d√©sirait sans qu'elle se modifie en quoi que ce soit
  3. ‚ÜĎ C'est-√†-dire dont les dimensions spatiales peuvent √™tre consid√©r√©es comme faibles devant une longueur caract√©ristique de la situation envisag√©e. Ainsi la Terre (rayon RT ‚Čą 6 400 km) peut √™tre consid√©r√©e comme ponctuelle pour l'√©tude de son mouvement de r√©volution autour du soleil (rayon de l'orbite 'R ‚Čą 1,5√ó108 k, p√©rim√®tre de l'ordre de 109 km). Cette approximation ne sera √©videmment pas valable si l'on consid√®re le mouvement de rotation propre de la Terre...
  4. ‚ÜĎ Sachant que la relation E = m¬∑c2 est vraie pour les seules particules et syst√®mes dot√©s de masse, quand ils sont au repos, et non pour les photons (voir √† leur sujet : [[Impulsion (physique)|]]).
  5. ‚ÜĎ dans le contexte r√©ducteur de l'observation des ph√©nom√®nes situ√©s √† notre √©chelle. La loi de conservation de l'√©nergie a des conditions de validit√© comme l'invariance par rapport au temps, or par exemple les th√©ories cosmologiques ne sont pas invariantes dans le temps

Voir aussi

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Articles connexes

Formes d'énergie:

√Čnergies selon leurs sources ou leurs vecteurs:

Liens externes

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