Énergie

Energie

Alain JAMEAU

Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail (de produire un mouvement), fabriquer de la chaleur, de la lumière.
En physique, c'est une grandeur scalaire, exprimée en Joules.
Un apport important de la physique est la conservation de l'énergie dans les systèmes fermés. Elle énonce que le mouvement ne peut être créé et ne peut être annulé : il peut seulement passer d'une forme à une autre (transformation).

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 fréquemment l'énergie en calories ; la calorie est en toute rigueur l'énergie qu'il faut fournir pour faire chauffer un gramme d'eau de un degré Celsius, mais les nutritionnistes nomment par simplification « calorie » ce que les physiciens nomment « kilocalorie ».
En électricité, on utilise le watt-heure (Wh), énergie consommée pendant une heure par un appareil ayant une puissance d'un watt, ou encore son multiple le kilowattheure (kWh) qui vaut 1 000 Wh.
Pour des raisons thermodynamiques, toute transformation énergétique réelle est irréversible, ce qui veut dire qu'en inversant l'opération (exemple : retransformer en mouvement via un moteur électrique l'énergie produite par la dynamo d'un vélo) on ne retrouve pas la quantité l'énergie consommée au départ. Cela est lié aux pertes.

Les différentes formes de l'énergie

Les formes d'énergie classiquement considérées sont :

Énergie mécanique : liée au mouvement des objets, à leurs vitesses ainsi qu'à leur altitude. Elle est donc formée de :
- l'énergie cinétique : l'énergie associée au mouvement d'un corps ou d'une particule.
- l'énergie potentielle de pesanteur (gravité)
Énergie thermique, chaleur ou énergie calorique est liée au mouvements des particules d'un corps. Elle se manifeste lors de l'élévation de la température, de la dilatation d'un corps..
Énergie électrique est liée aux différences de charges électriques entre deux corps. Elle est facile à transportée et à transformer mais difficile à stocker.
Énergie chimique est liée à la structure de la matière, aux liaisons entre atomes et molécules.
Énergie nucléaire est liée à la cohésion entre particules constituant le noyau de l'atome. Elle se manifeste lorsque des noyaux lourd se cassent (fission nucléaire) ou lorsque des noyaux légers s'assemblent (fusion nucléaire). [Voir animations]
L'énergie rayonnante est liée aux radiation (photons émises par des corps chauds). Exemple : le Soleil.

Les transformations de l'énergie

E_départ	E_arrivée	mécanique	électrique	calorifique	chimique	rayonnante
mécanique		levier/chaîne	dynamo/alternateur	pompe à chaleur
électrique		moteur électrique	transformateur	radiateur électrique	électrolyse	néon
calorifique		machine à vapeur	thermocouple	four/échangeur	raffinerie	ampoule
chimique		muscle	pile	brûleur	réactions chimiques	ver luisant
rayonnante		radiomètre	cellule photovoltaïque	serre	photographie (argentique)	laser
nucléaire		bombe A		réacteur nucléaire		soleil

Les différentes sources d'énergie

Dans les sociétés industrielles, l'activité humaine passe par la fourniture d'énergie électrique produite par des matières premières, principalement charbon, gaz naturel, pétrole et uranium ; on parle alors d'énergie fossile ; ces matières premières sont appelées par extension « énergies ». On parle aussi d'énergies renouvelables lorsque l'on utilise l'énergie solaire, l'énergie éolienne ; l'énergie hydraulique des barrages est la plus importante des énergies renouvelables.

Les sources d'énergies utilisées par l'homme sont :

les énergies d’origine fossile (gaz, pétrole, charbon) dans les voitures, les avions, les centrales thermiques... ;
l'énergie d’origine nucléaire
l'énergie d’origine biomassique (biomasse sèche, biomasse humide et biocarburants) ;
l'énergie d’origine hydraulique des fleuves, barrages et conduites forcées, renouvelable ;
l'énergie d’origine éolienne ;
l'énergie d’origine solaire (conversion de l'énergie lumineuse en chaleur ou en électricité) ;
l'énergie d’origine géothermique ;
l'énergie d’origine marémotrice ;
l'énergie d’origine maréthermique (exploitation de la différence de température entre les eaux superficielles et les eaux profondes des océans).

Voir site CEA : énergies, nouvelles énergies...

Le rendement d'une transformation d'énergie

Une machine est un dispositif qui transforme l'énergie. L'énergie reçue est égale à :

E_reçue = E_utile + E_dissipée

L'énergie dissipée se manifeste essentiellement sous forme de chaleur.

Le rendement h d'une machine est le rapport de l'énergie utile sur l'énergie reçue :

Il peut être inférieur ou égal à 1.

L'énergie interne (si on veut aller plus loin...)

1. Déformation d'un ressort

Examinons l'exemple suivant: on allonge un ressort en tirant sur son extrémité.

La variation d'énergie cinétique du ressort est : E_c = E_c2- E_c1 = 0 Þ E_c1 = E_c2= 0

Pourtant le travail de la force n'est pas nul. Le ressort a emmagasiné de l'énergie sous une autre forme que l'énergie cinétique ou que l'énergie potentielle de pesanteur. On dit que le travail de la force a été utilisé pour augmenter l'énergie interne du ressort.

2. Compression d'un gaz

Dans l'exemple ci-dessous, on comprime un gaz en appuyant sur une piston mobile.

De même la variation d'énergie cinétique du gaz est nulle. D'où : Ec₂ = Ec₁ = 0

Pourtant le travail de la force n'est pas nul. Le gaz a emmagasiné de l'énergie sous une autre forme que l'énergie cinétique (ou que l'énergie potentielle de pesanteur). On dit que le travail de la force a été utilisé pour augmenter l'énergie interne du gaz.

3. Élévation de température

Voici un autre exemple où l'on provoque l'échauffement d'une masse d'eau en tournant une manivelle.

Lorsqu'on tourne la tige, on observe une augmentation de la température de l'eau, mais par contre, en régime permanent, la variation d'énergie cinétique de l'eau est nulle.

Pourtant le travail des forces exercées par l'expérimentateur n'est pas nul. L'eau a emmagasiné de l'énergie sous une autre forme que l'énergie cinétique (ou que l'énergie potentielle de pesanteur). Le travail des forces exercées par l'expérimentateur a été utilisé pour augmenter l'énergie interne de l'eau, ce qui est révélé par une augmentation sa température (la température d'un corps dépend de son énergie interne).

4- Définition

On appelle énergie interne l'ensemble des formes d'énergie présentes au sein d'un système. On la note U. L'énergie interne est due en particulier :

Aux interactions existant entre les particules qui constituent le système.
A l'énergie cinétique des particules qui constituent le système.

5- Transferts thermiques

1. Énergie interne et température

La température est due à l'agitation thermique, c'est à dire à l'énergie cinétique microscopique Ec_mic des particules qui constituent le système.

Remarque: Si la température T augmente, alors Ec_mic augmente et l'énergie interne U augmente.

2. Mécanisme du transfert thermique :

Les chocs au niveau de la zone de contact provoquent l'augmentation de l'énergie cinétique microscopique (Ec_mic) des particules du corps froid. On dit qu'il y a transfert d'énergie par "chaleur". La température du corps chaud diminue et la température du corps froid augmente. L'énergie interne du corps chaud décroît tandis que celle du corps froid augmente.

Lorsque T_{corps chaud} = T_{corps froid}, les deux objets sont à l'équilibre thermique.

Remarque: Le transfert d'énergie par chaleur s'effectue toujours du corps chaud vers le corps froid.

6- Transfert d'énergie par rayonnement

Le transfert d'énergie par rayonnement met en jeu la production puis l'absorption d'un rayonnement visible ou invisible de même nature que la lumière.

7- Énergie d'un système

L'énergie totale d'un système est constituée de: E = E_c + E_pp + U