L'énergie est une grandeur qui évalue la faculté d'un système à agir. L'énergie d'un système peut prendre plusieurs formes, notamment : mécanique, thermique, électrique et lumineuse. On distingue les sources d'énergie qui sont renouvelables et celles qui ne le sont pas. 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 caractérise la vitesse d'une conversion ou d'un transfert d'énergie.
Les 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 : énergie mécanique, énergie thermique, énergie électrique ou énergie lumineuse.
La notion d'énergie
L'énergie est une grandeur qui évalue la faculté d'un système à agir. L'unité de l'énergie est le joule.
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 énergies mécanique, thermique, électrique et lumineuse peuvent toutes être exprimées en joules.
Une énergie peut être exprimée dans une autre unité d'énergie que le joule. La conversion entre deux unités d'énergie nécessite de connaître la correspondance entre elles.
La calorie (cal) est une autre unité d'énergie. On peut convertir une énergie en joules ou en calories à partir de la correspondance suivante : 1 \text{ cal} = 4{,}18 \text{ J}
L'énergie mécanique
Un corps en mouvement possède de l'énergie, nommée énergie mécanique. L'énergie mécanique augmente avec la masse et l'altitude du corps.
Énergie mécanique
L'énergie mécanique est l'énergie qu'un corps possède du fait de son mouvement.
Lorsque les pâles d'une éolienne sont mises en mouvement par le vent, elles acquièrent de l'énergie mécanique.
Plus la masse de l'objet est grande, plus l'énergie mécanique est grande.
Une balle en plastique et une boule de pétanque sont lâchées de la même hauteur au-dessus d'un bloc d'argile. La boule de pétanque étant plus lourde, elle fait une marque plus importante sur l'argile, ce qui montre qu'elle a une énergie mécanique plus importante que la balle en plastique.
Influence de la masse sur l'énergie mécanique
Lors de la chute d'un objet, plus la hauteur de chute est grande, plus l'énergie mécanique est grande.
Deux boules de pétanque sont lâchées, une de 50 cm de haut, l'autre de 100 cm de haut, au-dessus d'un bloc d'argile. Celle lâchée de 100 cm de haut fait une marque plus importante sur l'argile, ce qui montre qu'elle a une énergie mécanique plus importante que la balle lâchée de 50 cm de haut.
Influence de la hauteur sur l'énergie mécanique
Plus la masse d'un objet ainsi que la hauteur d'où on le lâche sont importantes, plus sa vitesse au moment de l'impact est importante. On peut donc en déduire que plus la vitesse de l'objet est grande plus l'énergie mécanique est grande.
Deux boules de pétanque sont lancées à des vitesses différentes sur de l'argile. La boule de pétanque allant le plus vite fera une marque plus importante. Elle possède donc une énergie mécanique plus importante.
Influence de la vitesse sur l'énergie mécanique
L'énergie thermique
Un corps dont la température est supérieure à celle d'un autre corps lui cède de l'énergie, nommée « énergie thermique ». L'énergie thermique augmente avec la différence de température entre les deux corps.
Énergie thermique
L'énergie thermique (ou chaleur) est l'énergie qu'un corps chaud cède à un corps plus froid.
Du bois en feu transfère de l'énergie thermique au milieu extérieur.
Bois en feu
L'énergie électrique
L'énergie électrique est l'énergie échangée grâce à l'électricité. Cette énergie est transférée d'un système à un autre par le mouvement des charges électriques.
Énergie électrique
L'énergie électrique a pour origine le mouvement des charges électriques.
Les lignes à haute tension transportent de l'énergie électrique.
De l'énergie électrique est libérée par une prise ou une pile électrique.
L'énergie lumineuse
L'énergie lumineuse est l'énergie transportée par la lumière.
Énergie lumineuse
L'énergie lumineuse a pour origine le rayonnement émis par une source de lumière.
Une bougie émet de l'énergie lumineuse.
© Richard W.M. Jones via Wikimedia Commons
L'énergie lumineuse émise par une source n'a pas toujours d'effets visibles car l'œil humain n'est pas sensible à tous les rayonnements.
Le Soleil émet de l'énergie lumineuse dont une grande partie n'est pas visible.
Le Soleil
© Wikimedia Commons
Les différentes sources d'énergie
Une source d'énergie contient des réserves d'énergie que l'on peut utiliser. Les sources d'énergie qui s'épuisent à la suite de l'utilisation humaine sont les « énergies non renouvelables ». C'est le cas des énergies fossiles et fissiles. Les sources d'énergie qui se renouvellent suffisamment vite sont les « énergies renouvelables ». C'est le cas des énergies solaire, éolienne et hydraulique.
Les sources d'énergie non renouvelables
Les sources d'énergie non renouvelables sont celles dont les réserves s'épuisent du fait de leur exploitation. On distingue les sources d'énergie fossiles, issues de la décomposition lente d'organismes vivants et les sources d'énergie fissiles, issues des atomes instables.
Sources d'énergie non renouvelables
Les énergies non renouvelables proviennent de sources d'énergie qui s'épuisent avec le temps et l'utilisation humaine. Comme elles ne se renouvellent pas assez vite, elles risquent de disparaître un jour.
Le pétrole est une source d'énergie non renouvelable.
On distingue deux types de sources d'énergie non renouvelables :
- Les sources d'énergie fossiles : constituées par la décomposition d'organismes vivants enfouis sous les roches pendant des millénaires et dont on récupère l'énergie par combustion.
- Les sources d'énergie fissiles : constituées par des atomes instables (radioactifs) et dont on récupère l'énergie par fission nucléaire.
- Le charbon, le pétrole et le gaz naturel sont des sources d'énergie fossiles.
- L'uranium est une source d'énergie fissile.
Les sources d'énergie renouvelables
Les sources d'énergie renouvelables sont celles dont les réserves ne s'épuisent pas du fait de leur exploitation car la nature les renouvelle sans cesse.
Énergies renouvelables
Les énergies renouvelables proviennent de sources d'énergie que la nature renouvelle en permanence. Les énergies issues de sources renouvelables ne disparaîtront pas.
Le bois est une source d'énergie renouvelable.
Les sources d'énergie renouvelables ont plusieurs origines, toutes naturelles.
Le soleil et le vent sont des sources d'énergie renouvelables. Ils permettent d'obtenir, respectivement, de l'énergie lumineuse et de l'énergie mécanique sans que leurs réserves ne s'épuisent à l'échelle humaine.
Les conversions 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 une chaîne énergétique illustre une conversion d'énergie, lors de laquelle une forme d'énergie est transformée en une autre forme. L'énergie totale se conserve.
Lors d'une conversion d'énergie, une forme d'énergie est transformée en une autre forme.
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 une 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.
Diagramme énergétique
La chaîne énergétique représentant la conversion d'énergie réalisée par une éolienne est la suivante :
Diagramme énergétique d'une éolienne
L'énergie est une grandeur qui ne peut être 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} = \text{Énergie électrique + Énergie thermique}
La notion de puissance
La rapidité d'une conversion ou d'un transfert d'énergie est évaluée avec sa puissance.
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.
Deux objets électriques de puissances différentes fonctionnant sur la même durée n'auront pas le même impact 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 représentera donc un coût deux fois plus grand sur la facture d'électricité.