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Programme de Première S - BO 30 Septembre 2010 C3.Formesetprincipedeconservationdel’énergie C3.1.Formesetprincipedeconservationdel’énergie Miseensituation Lemot«énergie»esttellementgalvaudédansnotrelangagecourantquel’onaparfoisperdude vueslavéritablesigni?icationetquecelle-ciparaîtinutilementcomplexe.Ilfautdirequecemot est vraiment utilisé à toutes les « sauces » : « énergie » du sportif prêt pour sa compétition, «énergie»produiteparlescentralesélectriques,«énergie»dupétroleoudugaz… Alorsqu’est-cevraimentl’énergie?Historiquement,onfaitremontercettenotionauphysicien allemandduXVIIesiècleGottfriedWilhelmLeibnizquiadonnéunepremièredescriptiondela chute des corps en disant que ceux-ci possédaient, durant la chute, une « force vive » pour laquelle il établit une formule de calcul encore utilisée de nos jours pour ce qu’on nomme désormais«énergiecinétique».L’idéed’énergievafortementsedévelopperauXVIIIeetsurtout auXIXesiècleavecl’avènementdelarévolutionindustriellequis’appuiesurlesdécouvertesdes physicienssurle«travail»quiadonnénaissanceauxmachinesàvapeur. Dé?inie comme la capacité d’un système à fournir un travail, l’énergie est intimement liée à l’étudedestransformationschimiquesetauxmouvementsmécaniques.Cesontcesderniersqui sontd’ailleurslesplussimplesàétudierenpremièreapproche. Retoursurlachutelibre Lorsqu’unobjettombed’unecertainehauteursousl’effetdelagravitésansêtreattachéà unautreobjet=ixe,onparledechutelibre.Chaqueobjetquevouslâchez,volontairementou non, va donc effectuer une chute libre avant de toucher le sol. Ce phénomène avait déjà été étudié par Isaac Newton, qui en a déduit les lois de la gravitation, puis par le physicien et philosophefrançaisRenéDescartesquipensaitquel’énergied’uncorpsenchutelibreétaitun produitdesamasseparlavitesse.C’estdoncLeibnizquidécouvrelabonnerelationentreles caractéristiquesdelachuteetl’énergieacquiseparlemobile. Alorsqu’ilfallait,auXVIIesiècle,denombreusesexpériencessuccessives,beaucoupdepatience, des échafaudages compliqués et de la terre glaise (pour mesurer la profondeur à laquelle s’enfonçaient les boules que l’on lâchait de hauteurs diverses), il est aujourd’hui très facile d’étudier le mouvement et l’énergie d’une chute libre (ou de n’importe quel mouvement) grâceàl’analysevidéo. DeslogicielscommeTrackerouAvimécapermettentdesuivreunpointparticulierd’unobjeten mouvementdepuisunevidéodecelui-ci(capturéeparunsmartphoneparexemple).Sil’ona prissoindeplacerunrepèredetaillesurlavidéoaumomentdelaprisedevue,lelogiciel enregistrealors(defaçonautomatiquepourTracker)lapositiondel’objetsurtouteslesimages de la vidéo. A l’aide d’un repère placé par l’utilisateur, on obtient alors immédiatement la trajectoire,lavitesse,l’accélérationetmêmel’énergiecinétiqued’unobjetaucoursdesachute. Commepourtouteétudedemécanique,ilestfondamentaldebienplacerlerepèrecartout mouvementestdé?iniparrapportàcelui-cietvousavezvu,enclassedeseconde,queselonle repèrechoisiunmouvementpeutavoirunetrajectoirebiendifférente,voirparaitreimmobilesi lerepèreest?ixeparrapportàl’objet! J.L.Richter ©Creative Common BY NC SA - 2016/2017 80 Programme de Première S - BO 30 Septembre 2010 Exempled’étuded’unechutelibreavecTracker. Formesd’énergie L’énergie existe sous différentes formes et la physique, particulièrement en mécanique (étude desmouvements)enconsidèredeuxprincipales:l’énergiecinétiqueetl’énergiepotentielle. L’énergie cinétique (de « kine », mouvement en grec) est l’énergie associée aux objets en mouvement. Cela s’entend au sens large et concerne donc les objets qui bougent, comme une voitureouuneéolienne,maiségalementl’énergiedueàlachaleur(énergiethermique)puisque celle-ci est liée au déplacement plus rapide des molécules. On pourrait également y inclure l’énergieélectrique,dueaudéplacementdesélectronsdansles?ilsconducteurs. L’énergiepotentielleestl’énergiepotentiellementdisponibleetsusceptibledesetransformer. Ainsi,sionélèveunobjetenhauteur,oncréerlesconditionspourquecelui-cilibèredel’énergie lors de la chute quand il va acquérir de la vitesse. En élevant un objet on lui donne donc une énergie«potentielle».Ausenslarge,onparleraaussid’énergiepotentiellepourcellecontenue danssourced’énergie,commelegaz,leboisoulepétrole. Il est également possible de classer les énergies en fonction des interactions fondamentales auxquellesellessontliées: • Interactiongravitationnelle:énergiepotentielledepesanteur. • Interactionélectromagnétique:énergieélectrique,énergiechimique • Interactionforteetfaible:énergienucléaire Cettemultiplicitédenotionsfaitqu’unobjetpossèdegénéralementplusieursformesd’énergies et que des transferts peuvent s’effectuer d’une forme à l’autre. L’étude de ces transferts est la thermodynamique.Souventcestransfertss’accompagnentde«pertes»(chaleur,frottements…), cequifaitquel’énergied’unsystèmeferméatendanceàtoujoursdiminuer.Maisl’énergiene disparaitjamaisetils’agitdoncjusted’untransfertversunautresystème. J.L.Richter ©Creative Common BY NC SA - 2016/2017 81 Programme de Première S - BO 30 Septembre 2010 Énergiecinétique Revenonsànotrechutelibre:c’estunmouvementtypedetranslationcarl’objetsedéplaceen lignedroite(selonunemêmedirection).Danscecas,Leibnitzaétabliquel’énergiecinétique, Ec(demouvement)estdé?inieparlarelationsuivante: 1 Ec = 2 # m # v2 Unités: • Ec:énergiecinétiqueenJoule(J). • m:massedel’objetenkilogramme(kg). • v:vitessedel’objetenmètreparseconde(m.s-1). L’énergiecinétiqueétantdé=inieparrapportàlavitessed’unmobile,elledépenddoncdu référentieldanslequelonseplaceetellenepeutjamaisêtrenégative. Si vous êtes passager sur un scooter en mouvement et que vous donnez une petite tape sur l'épauleduconducteur,l’énergiedemouvementdevotremainn’aurarienàvoiravecunetape quevouspourriezfaireàunpassantsituéàcôtéduscooter! Énergiepotentielle L’énergiepotentielleEp,nousl’avonsvuplushaut,estliéeàl’altitudeenmécanique.Plusun livreseraplacéhautau-dessusd’unetable,plussachutesurcelle-ciseraviolente.D’autrepart, elleestliéeàlagravitationpuisquelachuted’unlivredepuisunehauteurde1mneserapasla mêmesurlaTerreetsurlaLune.En?in,elledépendégalementdelamassedel’objetselonla relation: Ep = m # g # z Unités: • • • • Ep:énergiepotentielleenJoule(J). m:massedel’objetenkilogramme(kg). g:accélérationdelapesanteurenNewtonparkilogramme(N.kg-1) z:altitudedel’objetdansleréférentielenmètre(m) Onnoteraquel’altitudepeutêtrenégativeselonleréférentielquel’onaurachoisi.Dece fait,l’énergiepotentiellepeutégalementêtrenégative. Conservationdel’énergie Quandunsystèmeestisolé,sonénergietotaleseconserve.C’estunprincipedebasedela physique qui indique donc que l’énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais seulement transforméeoutransféréed’unsystèmeàunautre. Ceprincipeadenombreusesapplicationsetestàlabasedenotreéconomiepuisquel’énergie quenoustransformonstouslesjourspournouschauffer,nouséclaireroufairefonctionnernos voituresétaitstockéedanslescombustiblesfossiles,commelepétrole,lecharbonoulegazou encore dans les matières radioactives qui alimentent nos réacteurs nucléaires. Mais nous ne savons pas encore récupérer et retransformer toutes les énergies qui sont transférées à des J.L.Richter ©Creative Common BY NC SA - 2016/2017 82 Programme de Première S - BO 30 Septembre 2010 systèmesextérieurscommel’atmosphèreoul’espace.L’undesgrandsenjeuxdudéveloppement durable est donc de parvenir à équilibrer les gains d’énergies que nous recevons, essentiellementparleSoleil,etlespertesduesauxtransferthorsdenotre«systèmeTerre»ou mêmedanssonatmosphère(quisontàl’origineduréchauffementglobal). Énergiemécanique Lors d’une chute libre, on peut considérer que l’objet n’est soumis qu’à son poids et que les autre forces (frottement de l’air par exemple) peuvent être négligées. Le système est alors isoléetsonénergietotale,quel’onnommeénergiemécanique,Em,estdoncconstante. Orcetteénergieestlasommedel’énergiecinétique,dueàlachute,etàl’énergiepotentielle,du eàlahauteurquel’objetaduavoirpourpouvoirtomberverslaTerre(doncsansêtreencontact avecunesurface). Em = Ec + E p Cequipeutsetraduiregraphiquementdelamanièresuivante: Energie Mécanique Energie Energie Ciné1que Energie Poten1elle Temps Onvoitici,enbleu,quel’énergiemécaniqueestconstanteaucoursdutempsalorsquel’énergie potentiellediminue(puisquezdiminueetpeutmêmeêtrenégatif)àmesurequel’objettombe, tandisquesavitesse,etdoncl’énergiecinétiqueaugmente. Transfertd’énergie Unetellesituationdechutelibre«idéale»estrarecarleplussouventunechutes’effectuedans un«?luide»,quecelui-cisoitl’atmosphère,ouunliquidepourleplongeurquisautedansl’eau. Danscescas,unepartiedel’énergieesttransféréeau?luideparlesfrottementsaveccelui-ci.Le système n’est donc pas isolé. L’énergie est transférée à l’extérieur du système ou peut être transforméeenuneautreformed’énergie,commelachaleurdueauxfrottements. Maissionconsidèrel’ensembledel’objetenchutelibreetdu?luidequil’entourecommeunseul système,l’énergieyestbienconservée. Celas’appliqueégalementautransfertdechaleurentredeuxcorps:ilsefaittoujoursd’un corpschaud(quipossèdebeaucoupd’énergie)versuncorpsfroid(quienpossèdemoins). J.L.Richter ©Creative Common BY NC SA - 2016/2017 83 Programme de Première S - BO 30 Septembre 2010 Découverteduneutrino En1930,lesétudessurlaradioactivitéavancentàgrandpasmaislesscienti?iquesbuttentsur un problème d’énergie : la désintégration β (béta) ne semble pas respecter le principe de conservation d’énergie. Le physicien autrichien Wolfgang Pauli postule alors l’existence d’une particuledemasse100foisinférieureàcelleduprotonquiseraplustardnommée«neutrino». C’estunexempleconcretdel’utilitédeladécouvertedelaconservationdel’énergie! Première«image»deneutrinodansunechambreàbulle (source«ImagecourtesyofArgonneNationalLaboratory») J.L.Richter ©Creative Common BY NC SA - 2016/2017 84
