Les différents types d’énergie

BD d’introduction : Genkidama

Qu’est-ce que l’énergie ?

Dans le langage courant, on confond souvent l’énergie, la force ou la puissance. Les scientifiques aussi ont mis du temps à distinguer les notions d’énergie et de forces, jusqu’à ce qu’on se rende compte au XXe siècle que l’énergie se conserve.

On définit donc maintenant l’énergie comme une grandeur qui se conserve et qui permet de comparer des systèmes ou d’étudier leur évolution.

L’unité internationale de l’énergie est le joule dont le symbole est J.

L’énergie peut se trouver sous différentes formes…

Énergie thermique

Il est bien connu que pour chauffer l’eau de cuisson des pâtes, il faut lui fournir de l’énergie (en posant la casserole sur une plaque de cuisson par exemple) ! Au niveau microscopique, l’agitation des molécules d’eau va augmenter. C’est ce qu’on appelle l’énergie thermique ou la chaleur.

L’énergie thermique est l’énergie liée à l’agitation microscopique des molécules ou les atomes). Plus les particules s’agitent, plus leur énergie thermique est importante .

Énergie de rayonnement

La lumière aussi transporte de l’énergie. Chacun a pu le constater douloureusement en étant recouvert de coups de soleil en étant resté trop longtemps allongé en plein soleil à la plage… Cette énergie est de l’énergie de rayonnement.

L’énergie de rayonnement ou énergie lumineuse est l’énergie transportée par les ondes électromagnétiques telle que la lumière. Elle dépend de leur frequence.

Énergie chimique

Certaines transformations chimiques libèrent de l’énergie. Parmi les exemples les plus spectaculaires, c’est le cas des explosions ou simplement d’une combustion. Cette énergie provient des liaisons entre les atomes dont sont constituées les molécules et s’appelle l’énergie chimique.

L’énergie chimique est une énergie contenue dans la matière. Elle est responsable des liaisons entre les atomes des molécules et peut être libérée lors d’une transformation chimique (ou inversement, il faut la fournir pour que la transformation se fasse).

Énergie nucléaire

Personne ne souhaiterait se trouver dans les environs de l’explosion d’une bombe nucléaire ! L’énergie libérée est si considérable qu’elle détruit tout sur son passage…

L’énergie nucléaire est l’énergie qui permet le maintien des protons et des neutrons dans le noyau des atomes.

Cette énergie est libérée lors de réactions nucléaires telles que la fusion de noyaux entre eux (c’est ce qui se passe dans le cœur de notre Soleil), ou leur de la fission de noyaux qui se fragmentent en noyaux plus petits (c’est ce qui se passe dans une bombe atomique ou dans une centrale nucléaire).

Énergie mécanique

L’énergie mécanique est l’énergie liée au mouvement. Au cours du mouvement, la vitesse et la position de l’objet peuvent changer On décompose donc l’énergie mécanique en deux parties : l’énergie cinétique liée à la vitesse et l’énergie potentielle de position.

L’énergie mécanique \(E_m\) d’un objet est donc la somme de son énergie cinétique \(E_c\) et de son énergie potentielle de position \(E_p\) :

\[E_m = E_c + E_p\]

Énergie cinétique

L’énergie cinétique \(E_c\) d’un objet est l’énergie qu’il possède du fait de son mouvement. Elle dépend de sa masse \(m\) et de sa vitesse \(v\) selon la relation mathématique suivante :

\[E_c = \frac{1}{2} × m × v^2\]

L’énergie cinétique s’exprime en joules (J), la masse en kilogrammes (kg) et la vitesse en mètres par second (m/s).

Ainsi plus l’objet est lourd, plus il a d’énergie cinétique (un objet deux fois plus lourd aura deux fois plus d’énergie cinétique). De même, plus l’objet se déplace vite, plus il aura d’énergie cinétique (un objet deux fois plus rapide aura quatre fois plus d’énergie cinétique).

Quelques ordres de grandeur :

  • une voiture de 2 tonnes roulant à 50 km/h a une énergie cinétique de 193 kJ ;
  • une voiture de 2 tonnes roulant à 100 km/h a une énergie cinétique de 772 kJ ;
  • une personne de 80 kg marchant à 5 km/h a une énergie cinétique de 77 J ;
  • une balle de fusil de 3 g tirée à 300 m/s a une énergie cinétique de 135 J.

Énergie potentielle de position

L’énergie potentielle de position ou énergie potentielle de pesanteur \(E_p\) d’un objet est l’énergie qu’il possède du fait de sa position. Elle dépend de sa masse \(m\), de sa hauteur \(h\) et de l’intensité de la pesanteur \(g\) (c’est-à-dire de l’intensité avec laquelle l’objet est attiré vers le sol à cause de la gravitation) selon la relation mathématique suivante :

\[E_p = m × g × h\]

L’énergie potentielle de position s’exprime en joules (J), la masse en kilogrammes (kg), la hauteur en mètres (m) et l’intensité de la pesanteur en newtons par kilogramme (N/kg).

Sur Terre, l’intensité de la pesanteur vaut : \(g = 9,81\ \mathrm{N/kg}\).

Ainsi plus l’objet est lourd et plus il est haut, plus il a d’énergie potentielle de position.

Remarque : on peut choisir la hauteur de référence valant zéro comme on veut mais on ne peut comparer deux énergies potentielles que si elles ont été calculées avec la même référence.