Formes d’énergie
L’énergie mécanique
Une force, ça ne se voit pas, mais on la repère à ses conséquences: le mouvement de la bille qu’on lance ou du wagonnet de grand huit, par exemple, le voilier qui file sous le vent ou le
balancier de la vieille horloge. Cette énergie-là, la plus facile à repérer, la plus tôt connue, c’est l’énergie mécanique, celle qui permet au corps de bouger grâce au travail des muscles, fait tourner les ailes du moulin, bondir le boulet projeté par la catapulte, etc. Un objet ou un mécanisme au repos peut avoir emmagasiné de l’énergie mécanique comme la pomme avant sa chute, mais aussi le ressort comprimé avant sa détente : on appelle cela de l’ “énergie potentielle ”. Un corps en mouvement comme le wagonnet de foire recèle une quantité d’énergie, appelée “ énergie cinétique ”, proportionnelle à sa masse et à sa vitesse : c’est à cause de cela que les accidents de voiture font tant de dégâts, quand toute cette énergie est brutalement dégagée au moment du choc.
L’énergie thermique
La deuxième forme d’énergie connue, c’est bien sûr celle du feu. Celle qui dégage de la chaleur en consumant un combustible, c’est-à-dire en le transformant, dégageant des gaz brûlants et ne laissant qu’un résidu de cendres. En transformant aussi ce qu’elle
chauffe et cuit – aliments, minerais, argile… Il fallut plus de temps pour découvrir que cette énergie-là a partie liée avec d’autres formes d’énergie, et même avec toutes les autres formes d’énergies. Au fait, la machine à vapeur ne produit-elle pas de l’énergie mécanique à partir de l’énergie thermique qui chauffe l’eau et dégage de la vapeur ? Fort de ces constatations, un jeune savant français, Sadi Carnot, jeta en 1824 les bases de la thermodynamique, la science qui explique ces phénomènes, en démontrant que l’on peut tirer de l’énergie de deux sources de chaleur dès lors qu’il existe une différence de température entre elles, et d’autant plus d’énergie que cette différence est grande.
L’énergie chimique
C’est une énergie contenue dans les molécules et libérée lors de certaines
réactions. On vient de voir que le feu transforme chimiquement le combustible en fait, sa chaleur résulte de cette réaction chimique. Nos muscles ne peuvent fonctionner que grâce à l’énergie fournie par la transformation chimique des aliments résultant de la digestion. L’électricité fournie par la pile de Volta provenait de la réaction entre les rondelles métalliques et l’eau salée, tout comme celle des batteries automobiles de la réaction entre l’acide sulfurique et les plaques de plomb (voir dessin ci-dessous). “ Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. ” Cette loi dite “de conservation de la matière ” porte le nom de celui qui l’énonça voici deux siècles, le chimiste Antoine-Laurent de Lavoisier. Une certitude acquise en pesant minutieusement tous les éléments entrant dans ses expériences et les produits qui en résultaient. Et une démonstration qui se révélera bien utile pour l’étude de l’énergie.
L’énergie électrique
Sept millions de milliards de rotations par seconde : ils ne tiennent pas en place, ces électrons. Même la matière des objets apparemment inertes est le siège d’une folle agitation. Si le noyau reste assez placide, son ou ses électrons, des milliers de fois plus légers, dansent une ronde sans fin à bonne distance de lui (à 1 km s’il avait la taille d’une balle de tennis). À bonne distance, mais unis : le noyau, beaucoup plus lourd, est chargé positivement, ce qui retient à proximité ses minuscules associés, chargés négativement. La loi de la gravitation universelle, celle qui fait tomber les pommes, mais aussi celle qui maintient à distance quasi constante la Lune de la Terre et les planètes du Soleil, semble s’appliquer aussi à cette échelle. En fait, c’est une autre force qui agit là. La force électromagnétique, découverte par le physicien français Cha
rles de Coulomb à la fin du XVIIIe s. : les corps de charge électrique contraire s’attirent proportionnellement à leur charge et inversement proportionnellement au carré de leur distance; en revanche, les corps de même charge se repoussent proportionnellement à leur charge et inversement proportionnellement au carré de leur distance.
Voilà pourquoi les électrons, de charge négative, continuent de tourner autour de leur noyau chargé positivement : leurs charges contraires s’annulent et l’atome est électriquement neutre. Mais si on arrache certains électrons de leurs atomes, cet équilibre s’écroule : les atomes privés d’un électron sont chargés positivement et cherchent à attirer les électrons libres en vadrouille; inversement, les atomes qui ont capturé un électron en surnombre se chargent négativement, et toute cette circulation d’électrons détachés de leur noyau forme le courant électrique.
L’énergie nucléaire
Si l’énergie électrique fait valser les électrons, l’énergie nucléaire fait exploser
les noyaux, la partie pourtant la plus lourde et la plus stable de l’atome. Le noyau est effet composé de protons, chargés positivement, et de neutrons… neutres bien sûr. On sait aujourd’hui casser ces solides noyaux dans certains combustibles, comme l’uranium et le plutonium, en les bombardant avec un neutron rapide. Les neutrons ainsi arrachés à leur noyau bombardent à leur tour d’autres noyaux et cette réaction en chaîne dégage une chaleur inimaginable : un seul gramme d’uranium fournit ainsi autant d’énergie que 3 tonnes de charbon ! C’est la fission nucléaire. Le Soleil fonctionne aussi à l’énergie nucléaire mais sous une autre forme : la fusion. Au lieu de casser ses noyaux légers d’hydrogène gazeux, il les réunit, deux noyaux en un. Un processus qui ne peut se produire qu’à des températures de plusieurs millions de degrés.
L’énergie rayonnante
C’est ce Soleil fondeur de noyaux qui brille et nous réchauffe ! Il nous réchauffe même si bien que de lui dépendent toutes les autres sources d’énergie ! C’est lui qui provoque le vent par déplacement des masses d’air chaud et froid. Lui qui permet le cycle de l’eau, les rivières et les marées par évaporation des océans. Lui qui fait pousser les plantes qui capt
ent son énergie par la photosynthèse et la transforme en matière végétale, source de nourriture mais aussi de chaleur grâce notamment au bois. Ce sont les dépôts végétaux et animaux dont il avait permis la vie voici des millions d’années qui ont formé, en se décomposant, les gisements de combustibles fossiles comme le charbon et le pétrole. Mais si la nature sait exploiter cette énergie-là, l’homme, en revanche, n’utilise directement qu’une infime partie des torrents d’énergie que nous envoie le Soleil : l’équivalent de 100000 milliards de tonnes de pétrole par an !
D’une énergie à l’autre
Toutes les formes d’énergie peuvent se transformer en plusieurs autres, une partie se transformant souvent en chaleur. La chaleur peut se transformer en énergie mécanique dans la machine à vapeur, et l’énergie mécanique en chaleur, par exemple dans les freins d’une voiture. Dans l’ampoule électrique, la chaleur devient lumière, énergie rayonnante. L’énergie mécanique produit aussi de l’énergie électrique en actionnant un alternateur. L’énergie chimique produit de la chaleur dans le feu, de l’électricité dans la pile, de l’énergie mécanique dans nos muscles et de la lumière chez les vers luisants. L’énergie électrique devient rayonnante dans le tube fluorescent et mécanique dans le moteur électrique. Non seulement cela prouve la nature commune à tous les types d’énergie, mais l’énergie et la matière, sous des apparences différentes, ne font qu’une, même si on ne les mesure pas avec les mêmes instruments qu’Albert Einstein résume en une équation géniale, E = mc2 : tout objet est un concentré d’énergie proportionnel à sa masse et à la vitesse de la lumière.
Unités de l’énergie
L’énergie est une grandeur mesurable. Il est donc nécessaire de définir des unités servant à la caractériser. Historiquement un grand nombre d’unités ont été introduites en relation avec les différents aspects de l’énergie. Actuellement, l’unité d’énergie admise par le système international est le joule (J).
D’autres unités sont encore utilisées :
- le wattheure (Wh) ou le kilowattheure (kWh) : un joule correspond à l’énergie nécessaire à faire fonctionner un appareil d’une puissance de 1 watt pendant 1 seconde. Le joule est cependant une unité assez petite, aussi utilise-t-on fréquemment le wattheure et le kilowattheure. Les compteurs électriques d’installations sont gradués dans cette dernière unité : 1 kWh = 3’600’000 J
- La calorie (cal): la calorie correspond à la chaleur nécessaire pour élever la température d’un gramme d’eau de 1 degré: 1 cal =4,18 J
- La kilocalorie ou grande calorie est bien connue des diététiciennes. La thermie (th) correspond à 1 million de calories. La millithermie (mth) est également utilisée dans l’industrie. L’industrie frigorifique qui traite de quantités de chaleur élevées emploie la frigorie (fg). Elle est égale à une kilocalorie négative.
- L’électron-volt (eV): pour mesurer l’énergie des particules, les physiciens ont introduit une unité appelée électron-volt (eV). Elle correspond à l’énergie cinétique acquise par un électron accéléré sous une différence de potentiel de 1 volt: 1 eV= 1,6 . 10-19 J. Ses multiples le MeV (106 eV) et le GeV (109 eV) sont couramment utilisés. D’autres unités ont été introduites pour mesurer l’énergie produite ou reçue lors de désintégration radioactive. Le béquerel (Bq) mesure l’activité d’une source. Le röentgen (R) mesure l’effet d’ionisation produit par le rayonnement nucléaire.
Préfixes du système international d’unités et noms des nombres correspondants
| 10n | Préfixe français |
Symbole | Désignation |
|---|---|---|---|
| 1024 | yotta | Y | Quadrillion |
| 1021 | zetta | Z | Trilliard |
| 1018 | exa | E | Trillion |
| 1015 | péta | P | Billiard |
| 1012 | téra | T | Billion |
| 109 | giga | G | Milliard |
| 106 | méga | M | Million |
| 103 | kilo | k | Millier |
| 102 | hecto | h | Centaine |
| 101 | déca | da | Dizaine |
| 100 | (aucun) | — | Unité |
| 10−1 | déci | d | Dixième |
| 10−2 | centi | c | Centième |
| 10−3 | milli | m | Millième |
| 10−6 | micro | µ | Millionième |
| 10−9 | nano | n | Milliardième |
| 10−12 | pico | p | Billionième |
| 10−15 | femto | f | Billiardième |
| 10−18 | atto | a | Trillionième |
| 10−21 | zepto | z | Trilliardième |
| 10−24 | yocto | y | Quadrillionième |
Objectifs:
- Connaître le vocabulaire
- Connaître les critères qui permettent d’identifier :
- une énergie thermique;
- une énergie électrique;
- une énergie mécanique;
- une énergie chimique;
- une énergie rayonnante.
- Identifier les formes des énergies mises en jeu dans une chaîne de transformations d’énergies
- Pour un transformateur d’énergie donné ou observé :
- identifier les formes des énergies consommées, utiles et perdues;
- tracer son schéma énergétique.
- Connaître les unités usuelles de l’énergie et leurs conversions.
Exercices distribués en classe:
Exercices supplémentaires:
- transformations d’énergie: série 1