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Les différentes formes d'énergie

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Objectif(s)

Définir ce qu’est l’énergie. Énumérer des formes d’énergies, en donnant quelques unes de leurs caractéristiques.

Historiquement, la première énergie maîtrisée par l’Homme est l’énergie musculaire, de lui-même, ou d’animaux domestiqués. En parallèle, la découverte du feu a constitué une source d’énergie complémentaire, une énergie de combustion. De nos jours, de nombreuses autres énergies sont connues et employées pour répondre aux besoins énergétiques de l’Homme.

On distingue plusieurs sources d’énergie :
• Les énergies fossiles, ou énergies non renouvelables. Cela correspond à l’énergie libérée par la combustion du charbon, du pétrole, du gaz naturel.
• L’énergie nucléaire utilisée dans les centrales ne correspond pas à une combustion, mais à une réaction nucléaire utilisant de l’Uranium.
• Les énergies renouvelables permettent la production d’énergie à partir de ressources considérées comme inépuisables : l’énergie solaire, éolienne, hydraulique, géothermique, marémotrice …

Souvent, ces sources d’énergie génèrent de l’énergie électrique, qui est alors distribuée et utilisée par les consommateurs (maisons, bureaux, usines …).

Nous voyons ainsi qu’il existe diverses formes d’énergie qui se manifestent dans la vie de tous les jours. Cependant, ce ne sont pas des énergies fondamentales, dans le sens où le scientifique peut opérer une classification plus fine et plus utilitaire de ces formes d’énergie. C’est ce que nous allons voir ci-après, après avoir définit la notion d’énergie.

1. L'énergie

a. Définition

En physique, l’énergie est la capacité d’un système à agir sur un autre système afin de modifier son état. Cette modification d’état peut concerner une modification de sa vitesse, de sa température, avec émission ou pas de lumière, de son aspect (solide, liquide, gaz), ses propriétés physiques …

b. Unités utilisés

Quelle que soit la forme sous laquelle elle se présente, l’énergie peut toujours s’exprimer en Joule (J) dans le Système International. Selon les utilisations et les ordres de grandeur rencontrés, d’autres unités sont néanmoins utilisables :

• En physique de l’atome, l’électronvolt (eV) :

• En physique nucléaire, le mégaélectronvolt (MeV) :

• En nutrition, la calorie (cal) :

• En électricité, le kilowattheure (kWh) :

• Dans l’industrie, la tonne équivalent pétrole (tep) :

• Pour les armes nucléaires, la mégatonne (Mt) :

2. Energies en mécanique

a. Energie cinétique

L’énergie cinétique

est une forme d’énergie qui se manifeste sous la forme d’une vitesse acquise par un corps. Elle s’écrit comme

, où m est la masse du corps et v sa vitesse. L’énergie éolienne correspond à de l’énergie cinétique, qui met en mouvement les pales des éoliennes.

b. Energies potentielles

Une énergie potentielle est une énergie que « possède » un corps de part sa position. On peut citer deux types d’énergie potentielle :

• L’énergie potentielle de pesanteur

: pour un corps de masse m plongé dans un champ de pesanteur uniforme d’intensité g, on a

, où z est l’altitude du corps par rapport à une altitude de référence. L’énergie hydraulique est une manifestation de l’énergie potentielle de l’eau, dans un barrage par exemple. Elle peut mettre en mouvement des turbines.

• L’énergie potentielle élastique

: c’est l’énergie acquise par un ressort sous l’effet d’une déformation x :

, où k est nommée constante de raideur du ressort et s’exprime en N/m. Un arc possède une énergie potentielle élastique, qu’il communique à une flèche qui acquiert de l’énergie cinétique.

c. Le travail

En physique, le travail, noté W, est l’énergie apportée à un système physique par le biais d’une force exercée le long d’un déplacement. Par exemple, quand on pousse une voiture avec une force F sur une distance d, alors le travail fourni est

3. Energies « stockées » ou « stockables »

a. Energie chimique

L’énergie chimique est une énergie « stockée » dans la matière, sous la forme des liaisons chimiques. Lors de certaines réactions chimiques, la modification des liaisons chimiques sont susceptibles de libérer de l’énergie sous forme de chaleur, et quelquefois de lumière. L’énergie de combustion est une énergie libérée à partir d’énergie chimique. Il en est de même pour l’énergie musculaire.

b. Energie de masse

La masse m est une forme d’énergie, comme le montre la relation d’Einstein

. Lors de certaines réactions nucléaires, la masse des particules produites est inférieure à celle des particules avant réaction, ce qui libère de l’énergie. L’énergie solaire et l’énergie nucléaire générée dans les centrales viennent d’une variation d’énergie de masse.

En chimie, la variation de masse est largement négligeable, ce qui fait qu’à l’échelle macroscopique, l’énergie de masse n’est pas prise en compte en dehors des réactions nucléaires, car considérée comme constante.

4. Energies non stockables

a. Energie électrique

L’énergie électrique est l’énergie correspondant à une mise en mouvement d’électrons dans des matériaux conducteurs. Les applications de l’électricité sont très nombreuses, ce qui en fait une énergie capitale dans les sociétés modernes. L’énergie électrique est rarement utilisée telle quelle, mais est convertie en une autre forme d’énergie selon les besoins (thermique, mécanique, …).

b. Energie lumineuse

L’énergie lumineuse concerne l’émission de photons visibles. L’énergie d’un photon est

, où

est sa fréquence (en Hertz) et

la constante de Planck. Les photons de fréquences hors du domaine du visible emportent aussi de l’énergie, qui se manifeste sous forme de rayonnement thermique (loi de Wien) ou de rayonnements ionisants (rayons Gamma ou rayons X).

L’énergie solaire qui nous parvient sur Terre est constituée d’énergie lumineuse visible et de rayonnement thermique. La combustion, en plus de produire de la chaleur, est également génératrice d’énergie lumineuse (feu).

5. Energie thermique

D’un point de vue microscopique, l’énergie thermique se manifeste par une agitation des particules qui composent la matière. Ainsi, sous cette échelle là, l’énergie thermique est une énergie cinétique, mais désordonnée…

Toute conversion d’énergie s’accompagne plus ou moins d’une émission de chaleur. En mécanique, les frottements dissipent de la chaleur. Idem avec une résistance en électricité. Cette énergie est « perdue » pour le système, il ne pourra en général plus l’exploiter.

L'essentiel

En physique, l’énergie est la capacité d’un système à agir sur un autre système afin de modifier son état : modification de sa vitesse, température, aspect, …

Il existe plusieurs unités d’énergie, selon l’ordre de grandeur manipulé. Cependant, l’unité du Système International pour exprimer une énergie est le Joule. Toutes les unités d’énergies peuvent être converties en Joule.

L’énergie se manifeste sous des formes très diverses : thermique, électrique, potentielle … La matière (énergie de masse) ou son assemblage (énergie chimique) sont une sorte d’énergie « stockée », qui peut être libérée sous forme d’énergie cinétique, thermique, lumineuse/rayonnante …