10 Energie

10. ENERGIE
10
10.1
I. Mécanique
Energie
Définition et unité
Un corps possède de l’énergie s’il est capable de produire un travail. Autrement dit, l’énergie,
c’est du «travail en réserve».
L’unité SI de l’énergie est la même que celle du travail, à savoir le Joule (J).
10.2
Relation entre énergie et travail
Si on effectue un travail sur un corps, le corps reçoit de l’énergie. Son énergie totale va donc
augmenter.
Si le corps effectue lui-même un travail, il perd de l’énergie. Son énergie totale va donc diminuer.
10.3
Différentes formes d’énergie
L’énergie peut se présenter sous diverses formes :
— énergie chimique : Des corps qui peuvent fournir un travail par une réaction chimique
contiennent de l’énergie chimique. C’est une forme d’énergie facile à stocker et à transporter. De même, on peut facilement la transformer en d’autres formes d’énergie. Ex. :
piles, accumulateurs, carburant, charbon, bois, le corps humain, ...
— énergie électrique : Si on approche l’un de l’autre deux bâtons d’ébonite frottés par
une peau de chat, ils se repoussent (et effectuent donc un travail). Ils contiennent de
l’énergie électrique. Un condensateur chargé contient également de l’énergie électrique.
Il est difficile de stocker une grande quantité d’énergie sous forme électrique. Par contre,
l’énergie électrique est facile à transporter (réseau électrique) et on peut la transformer
sans problème en d’autres formes d’énergie.
— énergie thermique : Un corps qui se trouve à une température supérieure à 0 K (-273◦C)
possède de l’énergie thermique. C’est une forme d’énergie très difficile à stocker et il est
pratiquement impossible de transformer une grande quantité d’énergie thermique en une
autre forme d’énergie.
— énergie nucléaire : C’est une forme d’énergie contenue dans les noyaux atomiques. En
scindant des noyaux lourds en deux noyaux plus légers (fission atomique dans les centrales
nucléaires) resp. en fusionnant deux noyaux légers pour obtenir un noyau plus lourd
(fusion atomique du Soleil), on peut transformer une grande partie de cette énergie en
d’autres formes d’énergie.
— énergie rayonnée : des corps dont sortent des rayons (lumineux, ultraviolets, infrarouges,
rayons X, rayons gamma, ...) émettent de l’énergie rayonnée. Cette forme d’énergie peut
être transportée sans problèmes à grande distance, même à travers le vide (p.ex. le
rayonnement du Soleil qui réchauffe la Terre).
— énergie mécanique : On distingue trois formes de l’énergie mécanique : l’énergie potentielle de pesanteur, l’énergie cinétique et l’énergie potentielle élastique. L’énergie mécanique sera étudiée plus profondément dans les parties suivantes.
— ...
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10. ENERGIE
10.4
10.4.1
I. Mécanique
Energie mécanique
Energie potentielle de pesanteur
Dans la section 8.4.1, on a vu que pour soulever un corps de masse m d’une hauteur h, il faut
qu’on applique sur le corps une force F⃗ dont le travail de levage vaut W (F⃗ ) = m · g · h.
Le corps qui effectue le travail de levage (l’opérateur, un moteur électrique, ...) perd donc une
quantité d’énergie égale à W (F⃗ ), et le corps soulevé reçoit cette quantité d’énergie. On dit
qu’un corps qui est soulevé reçoit de l’énergie potentielle de pesanteur.
Afin d’indiquer une valeur de l’énergie potentielle de pesanteur, il faut fixer un niveau de référence. Si le corps se trouve à ce niveau de référence, il possède une énergie potentielle de
pesanteur nulle.
Si, à partir du niveau de référence, on soulève le corps à une altitude h, il acquiert une énergie
potentielle de pesanteur égale au travail de levage W (F⃗ ) :
Epot.pes. = m · g · h
hauteur h : Epot.pes. = m · g · h
h
niveau de référence : Epot.pes. = 0
Figure I.63 – Energie potentielle de pesanteur
Exemple : Si on fixe le niveau de référence au niveau du sol, une tablette de chocolat de
masse m=102 g, soulevée à une hauteur h=1 m, possède une énergie potentielle de pesanteur
Epot.pes. = m · g · h = 0, 102 kg · 9, 81 N/kg · 1 m = 1 J.
10.4.2
Energie cinétique
Pour mettre un corps en mouvement (et ainsi lui donner une certaine vitesse v), il faut exercer
sur ce corps une force qui effectue un travail accélérateur (cf. 8.4.2). L’énergie acquise par un
corps qui a été accéléré s’appelle énergie cinétique.
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10. ENERGIE
I. Mécanique
Cette énergie est proportionnelle à la masse m du corps et au carré de sa vitesse. On peut
calculer sa valeur par la formule suivante 7 :
Ecin. =
1
· m · v2
2
ATTENTION ! La vitesse doit être indiquée en unité SI, c’est à dire en m/s (mètres par
seconde), sinon l’unité résultante de l’énergie cinétique ne sera pas le Joule.
1 m/s = 60 m/min = 3600 m/h = 3, 6 km/h
et donc :
1 km/h =
1 m
/s
3, 6
Exemple : Une voiture de masse m=1, 2 t qui se déplace à une vitesse de 60 km/h possède une
!
"2
60 m
= 166.667 J=166, 7 kJ 8 .
énergie cinétique Ecin. = 12 mv 2 = 21 · 1200 kg · 3,6
s
Ecin. = 21 mv 2
⃗v
Figure I.64 – Energie cinétique
10.4.3
Energie potentielle élastique
Cette énergie est celle que possède un corps lorsqu’il est déformé de manière élastique 9 . Elle
est égale au travail qu’il a fallu pour déformer le corps (ex. : travail tenseur).
Exemples : un arc tendu, un ressort comprimé/étiré, une balle qui rebondit, ...
7.
8.
9.
force
cette formule ne sera établie qu’en classe de 2ème
2
l’unité résultante est le kg s·2m . En classe de 2ème , on pourra montrer que c’est l’équivalent du Joule
si une force déforme un corps de manière élastique, le corps va reprendre sa forme initiale, une fois que la
a disparu (contrairement aux déformations inélastiques qui resteront même si la force a disparu
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10. ENERGIE
I. Mécanique
F⃗
Epot.élast. =0
Epot.élast. ̸= 0
Figure I.65 – Energie potentielle élastique
10.5
Transfert et transformation d’énergie mécanique
L’énergie mécanique peut être transférée d’un corps vers un autre. Le corps qui effectue le
travail transfert une partie de son énergie sur le corps sur lequel le travail est effectué. Ainsi :
Le travail est un mode de transfert d’énergie mécanique.
Exemple :
Un wagon de masse m1 qui se déplace à une certaine vitesse v1 heurte un autre wagon de
masse m2 et qui se trouve initialement au repos. Après collision, le premier wagon a ralenti, il
a perdu de l’énergie cinétique. Cependant, il a réalisé un travail d’accélération sur le deuxième
wagon, qui a ainsi reçu de l’énergie cinétique il se déplace à la vitesse v2′ . De l’énergie cinétique
a été transférée du premier wagon vers le deuxième.
après collision
avant collision
⃗v1
repos
⃗v1′ < ⃗v1
⃗v2′
wagon 1
wagon 2
wagon 1
wagon 2
Figure I.66 – Choc entre 2 wagons - Transfert d’énergie cinétique
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10. ENERGIE
I. Mécanique
L’énergie peut être transformée d’une forme en une autre.
Exemple :
Un wagon en mouvement s’immobilise en comprimant un ressort : l’énergie cinétique du wagon
est convertie en énergie potentielle élastique du ressort.
Epot.élast.
Ecin.
⃗v
repos
Figure I.67 – Transformation d’énergie cinétique en énergie potentielle élastique
Important :
Lors de tout transfert et de toute transformation d’énergie, au moins une partie de l’énergie initiale est toujours transformée par les travaux des forces de frottement en énergie
thermique.
10.6
Principe de conservation de l’énergie
On vient de voir que l’énergie peut être transférée d’un corps sur un autre, qu’elle peut être
transformée d’une forme à l’autre. Durant tous ces processus, la valeur totale de l’énergie reste
toujours la même. En d’autres mots : aucune énergie n’est créée, aucune énergie n’est perdue.
C’est le principe de conservation de l’énergie :
On ne peut pas créer de l’énergie, on ne peut pas perdre de l’énergie. L’énergie totale de
l’univers a toujours été et va rester constante.
Lors de la transformation / du transfert de l’énergie, une partie de l’énergie initiale est convertie
en énergie thermique. Comme l’énergie thermique est difficile à reconvertir en une forme d’énergie utile, on dit souvent que le partie de l’énergie qui a été transformée en énergie thermique
«est perdue».
En effet, dans la plupart des cas, l’homme ne sait plus réutiliser l’énergie thermique qui accompagne les transformations/transferts d’énergie. Cependant, d’un point de vue physique, elle
n’est pas perdue : elle existe toujours dans les corps qui ont été réchauffés.
71
10. ENERGIE
10.7
I. Mécanique
Schémas de transferts / de transformation
Souvent, il est commode de représenter les transferts/transformations d’énergie avec les travaux
qui les réalisent sur un même schéma. Dans des cadres carrés, on indique la forme d’énergie que
possède un corps donné. Dans des cadres elliptiques, on indique les travaux qui ont lieu entre
les transformations/transferts d’énergie.
Pour la figure I.67, on obtient le schéma suivant :
énergie
cinétique
(wagon)
travail
tenseur
énergie
pot. élast.
(ressort)
travail
de frottement
énergie
thermique
(ressort
+wagon)
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