L'énergie est une grandeur qui évalue la capacité d'un système à agir. L'énergie d'un système peut prendre plusieurs formes : cinétique, potentielle de pesanteur, mécanique, chimique, thermique, électrique ou lumineuse. Lors d'une conversion d'énergie, une forme d'énergie est transformée en une autre forme, ce qui peut être illustré par un diagramme énergétique. La puissance, exprimée en watts, caractérise la vitesse d'une conversion ou d'un transfert d'énergie. L'énergie est une grandeur qui ne peut ni être créée ni être détruite. Si un système est soumis uniquement à son poids, son énergie mécanique se conserve. Ainsi, lors d'une chute libre, il y a conversion de l'énergie potentielle de pesanteur en énergie cinétique.
La notion d'énergie
L'énergie est une grandeur qui évalue la faculté d'un système à agir. Son unité est le joule et elle peut prendre plusieurs formes.
Énergie
L'énergie d'un système mesure sa capacité à modifier son état ou celui d'un autre système. Un système ne possédant pas d'énergie et n'en recevant pas ne peut rester qu'inerte.
Un véhicule en mouvement possède de l'énergie alors qu'un véhicule à l'arrêt n'en possède pas.
Il existe différentes formes d'énergie mais il est possible d'exprimer leur valeur avec une unité commune : le joule (J).
Les différentes formes d'énergie
L'énergie est une grandeur qui évalue la faculté d'un système à agir. L'énergie d'un système peut prendre plusieurs formes. Les énergies cinétique, potentielle et mécanique sont liées au mouvement. L'énergie chimique est libérée lors d'une transformation chimique. Il existe d'autres formes énergies.
Les énergies liées au mouvement
Un système en mouvement peut posséder de l'énergie cinétique liée à sa vitesse et de l'énergie potentielle de pesanteur liée à son altitude. L'énergie mécanique est la somme de ces deux énergies.
L'énergie cinétique
Un système se déplaçant à une certaine vitesse possède de l'énergie cinétique.
Énergie cinétique
L'énergie cinétique E_C est l'énergie que possède un système lorsqu'il se déplace, c'est-à-dire lorsque sa vitesse est non nulle.
Lorsqu'une balle tombe, elle possède une énergie due à sa vitesse et à sa masse. C'est l'énergie cinétique.
L'énergie cinétique E_C , exprimée en joules (J), d'un corps de masse m, exprimée en kilogrammes (kg), se déplaçant à la vitesse v, exprimée en mètres par seconde (m/s), est donnée par la relation :
E_{\text{C (J)}} =\dfrac{1}{2} \times m_{\text{(kg)}} \times v_{\text{(m/s)}}^2
L'énergie cinétique d'une balle de tennis solide de masse 59 g se déplaçant avec une vitesse de valeur 4,1 m/s est :
E_{\text{C (J)}} =\dfrac{1}{2} \times m_{\text{ (kg)}} \times v_{\text{ (m/s)}}^2
E_{\text{C (J)}}= \dfrac{1}{2} \times 0{,}059 \times 4{,}1^{2}
E_c = 0{,}50 \text{ J}
Il est utile de savoir convertir les vitesses exprimées en \text{km.h}^{-1} en \text{m.s}^{-1} et inversement :
v_{\text{(m/s)}} = \dfrac{v_{\text{(km/h)}}}{3{,}6}
et
v_{\text{(km/h)}} = 3{,}6 \times v_{\text{(m/s)}}
Une vitesse de 130 km/h correspond à \dfrac{130}{3{,}6} = 36 \text{ m/s} .
Comme la vitesse, l'énergie cinétique dépend du référentiel.
L'énergie potentielle de pesanteur
Un système situé à une altitude non nulle possède de l'énergie potentielle de pesanteur.
Énergie potentielle de pesanteur
L'énergie potentielle de pesanteur E_{pp} est l'énergie qu'un système possède lorsque son altitude n'est pas nulle (par rapport à une référence, généralement le sol).
Lorsqu'une balle est au-dessus du sol, elle possède de l'énergie potentielle de pesanteur.
L'énergie potentielle de pesanteur E_{pp} , exprimée en joules (J), d'un corps de masse m, exprimée en kilogrammes (kg), située à une altitude z, exprimée en mètres (m), est donnée par la relation :
E_{pp \text{(J)}} = m_{\text{(kg)}} \times g_{\text{(N/kg)}} z_{\text{(m)}}
où g est l'intensité de la pesanteur : g = 9{,}81 \text{ N.kg}^{-1}
L'énergie potentielle de pesanteur d'une balle de tennis solide de masse 59 g située à une altitude de 2,6 m par rapport au sol est :
E_{pp \text{(J)}} = m_{\text{(kg)}} \times g_{\text{(N/kg)}} z_{\text{(m)}}
E_{pp\text{(J)}} = 0{,}059 \times 9{,}81 \times 2{,}6
Ep_{pp} = 1{,}5 \text{ J}
L'énergie mécanique
L'énergie mécanique d'un système est la somme de son énergie cinétique et de son énergie potentielle de pesanteur.
Énergie mécanique
L'énergie mécanique E_M d'un système est la somme de son énergie cinétique E_{c} et de son énergie potentielle de pesanteur E_{pp} :
E_{M\text{(J)}}= E_{C\text{(J)}} + E_{pp\text{(J)}}
L'énergie mécanique d'une balle de tennis solide de masse 59 g se déplaçant avec une vitesse de valeur 4,1 m/s et située à une altitude de 2,6 m par rapport au sol est :
E_{M\text{(J)}} = E_{C\text{(J)}} + E_{pp \text{(J)}}
E_{M\text{(J)}} = \dfrac{1}{2} \times m_{\text{(kg)}} \times v_{\text{ (m/s)}}^2 + m_{\text{(kg)}} \times g_{\text{(N/kg)}} z_{\text{(m)}}
E_{M\text{(J)}} = E_{C\text{(J)}}= \dfrac{1}{2} \times 0{,}059 \times 4{,}1^{2} + 0{,}059 \times 9{,}81 \times 2{,}6
E_{M\text{(J)}} = 0{,}50 + 1{,}5
E_{M\text{(J)}} = 2{,}0 \text{ J}
L'énergie chimique
Un système siège d'une transformation chimique possède de l'énergie chimique.
Énergie chimique
L'énergie chimique est l'énergie qui peut être libérée lors d'une transformation chimique.
- Lors d'une combustion, une transformation chimique a lieu entre le combustible et le dioxygène. Cette transformation chimique libère de l'énergie chimique.
- Les piles stockent de l'énergie chimique grâce aux réactifs qu'elles contiennent.
Les autres formes d'énergie
Il existe d'autres formes d'énergie. Un système peut aussi posséder de l'énergie thermique s'il est en contact avec un système plus froid. Il peut posséder de l'énergie électrique s'il est le siège d'un mouvement de charges électriques. Enfin, il peut posséder de l'énergie lumineuse s'il émet de la lumière.
Les bilans d'énergie
Un diagramme énergétique représente une conversion d'énergie. La puissance caractérise la vitesse d'une conversion ou d'un transfert d'énergie.
Les diagrammes énergétiques
Un diagramme ou chaîne énergétique illustre une conversion d'énergie, lors de laquelle une forme d'énergie est transformée en une autre forme d'énergie. L'énergie totale se conserve.
Lors d'une conversion d'énergie, une forme d'énergie est transformée en une autre forme d'énergie.
Une éolienne convertit l'énergie mécanique du vent en énergie électrique.
Très souvent, lorsqu'un dispositif convertit de l'énergie, une partie de l'énergie est dissipée sous forme thermique (donc de chaleur) dans le milieu extérieur.
Lorsqu'une éolienne convertit l'énergie mécanique en énergie électrique, une partie de cette énergie mécanique est convertie en énergie thermique et est transférée au milieu extérieur.
Une conversion d'énergie peut être représentée par un diagramme ou chaîne énergétique.
Par convention, on représente :
- le dispositif convertissant l'énergie dans une ellipse ;
- les réservoirs d'énergie dans des rectangles ;
- les transferts par des flèches, au-dessus desquelles on peut indiquer leur nature.
La chaîne énergétique représentant la conversion d'énergie réalisée par une éolienne est la suivante :
L'énergie est une grandeur qui ne peut être ni créée ni détruite, on dit qu'elle se conserve. Ainsi, la quantité d'énergie est la même avant et après conversion.
Dans le diagramme énergétique précédent, on peut écrire au niveau de l'éolienne :
\text{Énergie mécanique = Énergie électrique + Énergie thermique}
La puissance d'un transfert d'énergie
La rapidité d'une conversion ou d'un transfert d'énergie est évaluée avec sa puissance, qui s'exprime en watts. La puissance est donc égale au quotient de l'énergie transférée et de la durée du transfert.
Puissance
La puissance caractérise la vitesse d'une conversion ou d'un transfert d'énergie : plus elle est importante plus la conversion ou le transfert se fait rapidement. Son unité est le watt (W).
Un radiateur électrique de puissance 1 000 W peut fournir de l'énergie thermique deux fois plus rapidement qu'un radiateur de puissance 500 W.
Puissance
La puissance d'un transfert d'énergie est égale au rapport entre l'énergie transférée, exprimée en joules, et la durée du transfert, exprimée en secondes :
P_{\left(\text{W}\right)} = \dfrac{E_{\left(\text{J}\right)} }{\Delta t_{\left(\text{s}\right)} }
La puissance d'un système qui transfère une énergie de 100 J en 2,0 s est :
P_{\left(\text{W}\right)} = \dfrac{E_{\left(\text{J}\right)} }{\Delta t_{\left(\text{s}\right)} }
P = \dfrac{100}{2{,}0}
P = 50 \text{ W}
Deux objets électriques de puissances différentes fonctionnant sur la même durée n'auront pas la même conséquence sur la facture d'électricité.
Sur la même durée, le radiateur électrique de puissance 1 000 W consommera deux fois plus d'énergie que celui de puissance 500 W et aura donc une incidence deux fois plus grande sur la facture d'électricité.
La conservation de l'énergie mécanique
L'énergie mécanique d'un système soumis uniquement à son poids se conserve. C'est notamment le cas lors d'une chute libre, au cours de laquelle l'énergie potentielle de pesanteur est intégralement convertie en énergie cinétique.
Chute libre
Un solide est en chute libre quand il n'est soumis qu'à son poids ou que les autres forces qui s'exercent sur lui sont négligeables devant son poids.
Une balle lâchée depuis une certaine altitude peut être considérée comme étant en chute libre si les frottements qui s'exercent sur elle sont négligeables.
Conservation de l'énergie mécanique
Si la seule force qui s'exerce sur un solide est son poids (ou si les autres forces se compensent), son énergie mécanique se conserve :
Em_{\text{État final}} = Em_{\text{État initial}}
C'est le cas pour un solide en chute libre.
Une balle est lâchée à une certaine altitude. En considérant que la balle est uniquement soumise à son poids (donc en chute libre), son énergie mécanique sera constante tout au long de sa chute.
La vitesse de la balle va augmenter au fur et à mesure de sa chute : son énergie cinétique augmentera. Au contraire, lorsque la balle se rapproche du sol, son altitude diminue et par conséquent son énergie potentielle diminue :
