Formes et principe de conservation de l’énergie Notions et contenus Compétences attendues Énergie d’un point matériel en mouvement dans le champ de pesanteur uniforme : énergie cinétique, énergie potentielle de pesanteur, Conservation ou non de l’énergie mécanique Em. Frottements ; transferts thermiques ; dissipation d’énergie. Formes d’énergie Principe de conservation de l’énergie. Application à la découverte du neutrino dans la désintégration. Connaître et utiliser l’expression de l’énergie cinétique d’un solide en translation et de l’énergie potentielle de pesanteur d’un solide au voisinage de la Terre. Réaliser et exploiter un enregistrement pour étudier l’évolution de l’énergie cinétique, de l’énergie potentielle et de l’énergie mécanique d’un système au cours d’un mouvement. Connaître diverses formes d’énergie. Exploiter le principe de conservation de l’énergie dans des situations mettant en jeu différentes formes d’énergie. I - L'énergie 1- Qu'est-ce que l'énergie ? La notion d'énergie est associée à des situations très diverses et la définition de l'énergie est très vaste: On dit qu'un corps possède de l'énergie s'il peut agir sur lui même ou sur d'autres corps. Dans cette définition " agir " signifie qu'il peut provoquer des modifications: de forme de trajectoire de vitesse de position de température de pression de composition chimique d'état électrique 2- Les principales sortes d'énergie Les principales formes que peut prendre l'énergie sont: L'énergie cinétique liée au mouvement, L'énergie potentielle de position liée à la position, L’énergie potentielle élastique (un ressort), L’énergie thermique due à l’agitation des particules, L'énergie chimique (libérée lors d’une combustion par exemple), L'énergie électromagnétique associée à un rayonnement, L'énergie électrique pour les entités chargées, L’énergie nucléaire entre les nucléons. 3- Les transferts et conversion d'énergie Lorsque l'énergie d'un corps est transmise à d'autres corps, on parle alors de transfert d'énergie. Lorsque l'énergie d'un corps change de forme on parle alors de conversion d'énergie. Thème 2 : Comprendre - Conservation de l’énergie - Page 1 A propos des transformations chimiques Lavoisier avait énoncé une règle simple: " Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme" Cette règle est aussi vraie pour l'énergie : - Lorsqu'une énergie diminue celle-ci n'est pas perdue : elle est soit transférée à d'autres corps soit convertie en d'autres formes d'énergie. - Lorsqu'une énergie augmente elle ne se crée pas à partir de rien : elle provient d'autre corps ou résulte de la conversion d'autres énergies. En résumée tout changement d'énergie correspond soit à un transfert d'énergie vers un autre corps soit à une conversion d'énergie. II – Energies d’un objet ponctuel 1- L'énergie potentielle de position Une bille, lâchée au dessus d'un récipient contenant du sable, creuse un cratère dont les dimensions dépendent de l'énergie de la bille au moment de l'impact: plus l'énergie est élevée plus le cratère formé est grand. Or on peut remarquer que la taille du cratère dépend de deux facteurs. Il est d'autant plus vaste que: - la bille est lâchée d'une hauteur importante. - le poids de la bille est élevé. On peut donc en conclure qu'un corps possède une énergie qui dépend de sa hauteur et de son poids. On associe ainsi à tout corps une énergie de position notée E pp qui est d'autant plus élevée que sa hauteur et sa masse sont importantes. E pp = m x g x z - m, la masse de l’objet considéré (en kg) - g, l’intensité de pesanteur (en kg/N) Avec - z, l’altitude de l’objet par rapport à une référence (en général, le sol) (en m) - E pp, en Joule (J) Thème 2 : Comprendre - Conservation de l’énergie - Page 2 2- L'énergie cinétique a) Qu'est ce que l'énergie cinétique ? L'énergie cinétique (notée Ec) est l'énergie que possède un corps grâce à son mouvement. Cette énergie est notamment liée à la vitesse de déplacement d'un corps : plus un corps se déplace vite plus son énergie cinétique est grande. Et si un corps est immobile alors son énergie cinétique est nulle. L'énergie cinétique (Ec) d'un objet en translation est liée à sa vitesse (v) et à sa masse (m) par la relation suivante: 2 E c = 1 2 x m x v - m s'exprime en kilogramme (kg) - v s'exprime en mètre par seconde (m/s) - E c s'exprime en joule (J) b) Energie cinétique et chute d'un corps Si l'on reprend l'exemple de la bille lâchée au dessus d'un récipient contenant du sable (voir II -1 L'énergie de position). On constate qu'avant de produire un cratère au contact du sable la bille est d'abord animée d'un mouvement de chute au cours de laquelle la vitesse croît. L'énergie de position que possède la bille, au moment où l'on la lâche, est donc progressivement convertie en énergie cinétique au cours de la chute. Au moment de l'impact de la bille dans le sable, son énergie cinétique est transférée aux grains de sable qui sont projetés: il se forme alors un cratère. III - L'énergie mécanique Lors de la chute d'un corps l'énergie de position se convertit en énergie cinétique. Cet exemple témoigne du lien qui existe entre ces deux énergies et qui conduit à définir une nouvelle énergie: l'énergie mécanique. Par définition, l'énergie mécanique d'un corps (notée Em) est la somme de son énergie potentielle de position et de son énergie cinétique : E m = E c + E p IV – Principe de la conservation de l’énergie L’énergie totale (celle du système étudié et du milieu extérieur), qui prend en compte toutes les formes d’énergies possibles, se conserve : E totale = constante 1- Cas de la chute libre d’un corps Si l'on reprend l'exemple de la bille lâchée au dessus d'un récipient contenant du sable (voir II -1 L'énergie de position). On constate qu'avant de produire un cratère au contact du sable la bille est d'abord animée d'un mouvement de chute au cours de laquelle la vitesse croît. L'énergie de position que possède la bille, au moment où l'on la lâche, est donc progressivement convertie en énergie cinétique au cours de la chute. Au moment de l'impact de la bille dans le sable, son énergie cinétique est transférée aux grains de sable qui sont projetés: il se forme alors un cratère. Thème 2 : Comprendre - Conservation de l’énergie - Page 3 Lorsqu'un corps n'est soumis à aucune autre action que son propre poids alors son énergie mécanique se conserve. On dit que ce solide est animé d’un mouvement de chute libre (dans le vide). On peut alors écrire que l’énergie mécanique de ce corps est : E m = E c + E pp = constante ou encore E m = 0 Il y a conservation de l’énergie mécanique (qui représente l’énergie totale du système étudié) 2- Cas de la chute d’un corps avec frottements Une capsule spatiale en entrant dans l’atmosphère subit des frottements intenses qui élèvent considérablement sa température, ce qui indique qu’un transfert thermique s’opère. L’énergie cinétique de la capsule diminue ainsi que son énergie potentielle de position. L’énergie mécanique diminue donc aussi alors que l’agitation thermique microscopique du solide et de son environnement augmente. S’il y a des frottements, l’Em ne se conserve plus, mais décroît sans cesse. Le transfert thermique est responsable de la dissipation de l’énergie mécanique. D’après le principe de la conservation de l’énergie, lorsqu’un corps chute avec frottements, une partie de son énergie mécanique est : - soit transférée à un autre système, - soit transformée en une autre forme d’énergie. Si le système échange avec le milieu extérieur, l’augmentation ou la diminution de l’énergie totale du système est égale à l’énergie transférée entre le milieu extérieur et le système. 3- Application au transfert thermique Lorsqu’un corps chaud et un corps froid, isolés du milieu extérieur, sont en contact l’un vers l’autre, il y a transfert thermique spontané du corps chaud vers le corps froid. Ce transfert s’accompagne de variations de température ou de changements d’état. (chapitre B5). 4- Application à la découverte du neutrino , un noyau radioactif père est transmuté en un noyau fils plus léger avec émission d'un électron. En 1914, James Chadwick mesure la distribution en énergie de cet électron. Le résultat est contraire au principe de conservation de l'énergie: E fils + E électron < E père Au début des années 1930, Wolfgang Pauli propose que lors de cette désintégration, il y ait aussi émission d'une particule neutre, jusqu'alors inconnue, afin que le principe de conservation de l'énergie soit respecté: il s'agissait du neutrino, dont l'existence ne fut attestée qu'en 1956. Belin page 245 Thème 2 : Comprendre - Conservation de l’énergie - Page 4 Exercice résolu Hachette page 228 Thème 2 : Comprendre - Conservation de l’énergie - Page 5