Les différentes formes d'énergie
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.
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) :
• 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.
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.
• 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.
.
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).
, 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.
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 …
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 …
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