ÉNERGIE La notion
Dans toutes les transformations variées qui sont étudiées en physique, la notion d'énergie joue un rôle fondamental. Elle apparaît d'abord en mécanique, où elle signifie capacité de travail.
La première forme d'énergie définie est le travail mécanique : produit scalaire d'une force et d'un déplacement. Un système mécanique pouvant fournir du travail contient du travail en réserve, c'est-à-dire de l'énergie : potentielle, si elle est due à la position des constituants du système dans l'espace ; cinétique, si le corps est en mouvement (pour mouvoir un bateau à voile, on utilise l'énergie cinétique des masses d'air en mouvement).
La loi de conservation de l'énergie domine la physique. Cette loi est vérifiée dans les phénomènes purement mécaniques pour la somme de l'énergie potentielle et de l'énergie cinétique. Cependant, elle semble mise en défaut chaque fois qu'il y a frottement et apparition de chaleur. Pour conserver l'énergie totale d'un système, il faut lui ajouter la quantité de chaleur reçue. La chaleur apparaît alors comme une forme de l'énergie. La thermodynamique étudie plus particulièrement les transformations de chaleur en travail et réciproquement. En réalité, la chaleur n'est pas autre chose que l'énergie cinétique d'agitation des particules qui composent le système. Mais cette agitation est désordonnée. La différence entre chaleur et travail est expliquée par la mécanique statistique ; celle-ci permet de définir une fonction qui mesure le « désordre » d'un état macroscopique d'un système, l'entropie.
Enfin, dans les réactions nucléaires, les énergies mises en jeu sont considérables et l'on constate que la masse des particules (au sens classique) n'est pas conservée. La théorie de la relativité a introduit le concept d'équivalence masse-énergie (E = mc2) et a permis de satisfaire encore au principe de conservation de l'énergie.
La notion d'énergie est éclairée sous un jour nouveau par la mécanique quantique. L'énergie d'un système fini est quantifiée et une valeur de cette énergie caractérise l'état physique dans lequel se trouve le système. L'énergie apparaît alors comme la grandeur physique fondamentale attachée à un système. La connaissance de ce système commence par la connaissance de ses niveaux d'énergie.
Les applications pratiques de la notion d'énergie posent trois sortes de problèmes : celui de la source d'énergie, celui du transport et enfin celui de l'utilisation ; ils donnent toute leur importance aux questions de conversion des énergies. La source n'est, en effet, pas toujours utilisable directement sur place, on doit donc convertir l'énergie fournie sous une autre forme pour la transporter. Il est évident que les aspects économiques ont une importance prépondérante dans le choix des systèmes de conversion d'énergie.
Après avoir rappelé les notions théoriques fondamentales relatives à l'énergie, on décrira ici quelques systèmes de conversion d'énergie parmi les plus utilisés et les plus étudiés. Leur liste ne saurait être exhaustive ; de nouvelles sources d'énergie et de nouveaux systèmes de conversion ont été mis au point grâce à la fusion contrôlée de noyaux légers, au développement des piles à combustibles, à la synthèse photochimique artificielle et à la combustion-fermentation.
Énergie mécanique
On dit qu'une force appliquée à une particule située en M travaille, lorsque cette particule se déplace dans une direction différente de la perpendiculaire à cette force. Si dM est le déplacement de la particule, le travail dW de la force F qui lui est appliquée est, par définition, dW = F . dM.
Le travail est donc une grandeur scalaire dont la[...]
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Écrit par
- Julien BOK : ancien directeur du laboratoire de physique de l'École normale supérieure
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Énergie potentielle
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