Il existe deux formes principales d'énergie: l'énergie cinétique et l'énergie potentielle.Énergie cinétiqueest l'énergie de mouvement d'un objet ou d'une particule, eténergie potentielleest l'énergie associée à la position d'un objet ou d'une particule.
Parfois, l'énergie cinétique et potentielle associée aux processus mécaniques d'un objet macroscopique est appelée collectivementénergie mécaniqueet exclure les formes d'énergie associées aux processus thermiques, chimiques et atomiques.
C'est une loi fondamentale de la physique que l'énergie totale dans un système fermé est conservée. C'est ce qu'on appellela loi de conservation de l'énergie. C'est-à-dire que si l'énergie peut changer de forme ou être transférée d'un objet à un autre, la quantité totale restera toujours constante dans un système parfaitement isolé de son environnement.
Pour simplifier les calculs dans de nombreux problèmes d'introduction à la physique, on suppose souvent que le frottement et d'autres les forces dissipatives sont négligeables, ce qui fait que l'énergie mécanique totale d'un système fermé est séparée conservé.
L'énergie mécanique peut être convertie en énergie thermique et en d'autres types d'énergie en cas de friction, et il peut être difficile de transformer l'énergie thermique en énergie mécanique. (et impossible de l'amener à le faire entièrement.) C'est pourquoi l'énergie mécanique est souvent décrite comme une quantité conservée séparée, mais, encore une fois, elle n'est conservée que lorsqu'il n'y a pas de friction.
L'unité SI pour l'énergie est le joule (J) où 1 joule = 1 newton × 1 mètre.
Types d'énergie potentielle
L'énergie potentielle est l'énergie due à la position ou à la disposition d'un objet ou d'une particule. Elle est parfois décrite comme de l'énergie stockée, mais ce n'est pas tout à fait exact car l'énergie cinétique peut également être considérée comme de l'énergie stockée car elle est toujours contenue dans l'objet en mouvement. Les principaux types d'énergie potentielle sont :
Énergie potentielle élastique, qui est l'énergie sous forme de déformation d'un objet tel qu'un ressort. Lorsque vous comprimez ou étirez un ressort au-delà de sa position d'équilibre (de repos), il aura une énergie potentielle élastique. Lorsque ce ressort est relâché, cette énergie potentielle élastique va se transformer en énergie cinétique.
Dans le cas d'une masse suspendue à un ressort qui est ensuite étiré et relâché, la masse oscillera de haut en bas à mesure que l'énergie potentielle élastique devient l'énergie cinétique, puis est retransformée en potentiel et ainsi de suite (une partie de l'énergie mécanique étant transformée en formes non mécaniques en raison de friction.)
L'équation de l'énergie potentielle stockée dans un ressort est donnée par :
PE_{ressort}=\frac{1}{2}k\Delta x^2
Oùkest la constante du ressort et Δx est le déplacement par rapport à l'équilibre.
Énergie potentielle gravitationnelleest l'énergie due à la position d'un objet dans un champ gravitationnel. Lorsqu'un objet dans un tel champ est libéré, il accélère et cette énergie potentielle se transforme en énergie cinétique.
L'énergie potentielle de gravitation pour un objet de massemprès de la surface de la Terre est donnée par :
PE_{grav}=mgh
Oùgest la constante gravitationnelle 9,8 m/s2, ethest la hauteur au-dessus du niveau du sol.
Similaire à l'énergie potentielle gravitationnelle,énergie potentielle électriqueest le résultat du positionnement d'objets chargés dans un champ électrique. S'ils sont libérés dans ce champ, ils accéléreront le long des lignes de champ comme le fait une masse qui tombe, et leur énergie potentielle électrique se transformera en énergie cinétique.
La formule de l'énergie potentielle électrique est une charge ponctuellequne distancerdu point de chargeQest donné par:
PE_{elec,\text{ }poiny\text{ }charge}=\frac{kqQ}{r}
Oùkest la constante de Coulomb 8,99 × 109 Nm2/C2.
Vous connaissez probablement le termeTension, qui fait référence à une quantité appeléepotentiel électrique. L'énergie potentielle électrique d'une chargeqpeut être trouvée à partir du potentiel électrique (tension,V) par les éléments suivants :
PE_q=qV
Énergie potentielle chimiqueest l'énergie stockée dans les liaisons chimiques et les arrangements des atomes. Cette énergie peut être transformée en d'autres formes lors de réactions chimiques. Un incendie en est un exemple – lorsque le feu brûle, l'énergie potentielle des liaisons chimiques du matériau en combustion est transformée en chaleur et en énergie rayonnante. Lorsque vous mangez de la nourriture, des processus dans votre corps convertissent l'énergie chimique en énergie dont votre corps a besoin pour rester en vie et accomplir toutes les tâches de base de la vie.
Énergie potentielle nucléaireest l'énergie dans un noyau atomique. Lorsque les nucléons (protons et neutrons) à l'intérieur d'un noyau se réarrangent en se combinant, se séparant ou passant de l'un à l'autre (soit par fusion, fission ou désintégration), l'énergie potentielle nucléaire est transformée ou publié.
Le fameux E = mc2 l'équation décrit la quantité d'énergie,E, libéré au cours de ces processus en termes de massemet la vitesse de la lumièrec. Les noyaux peuvent se retrouver avec une masse totale inférieure après la désintégration ou la fusion, et cette différence de masse directement se traduit par la quantité d'énergie potentielle nucléaire qui est convertie en d'autres formes, telles que l'énergie radiante et thermique.
Types d'énergie cinétique
L'énergie cinétique est l'énergie du mouvement. Alors qu'un objet avec de l'énergie potentielle a le potentiel de se déplacer, un objet avec de l'énergie cinétique subit un mouvement. Les principaux types d'énergie cinétique sont :
Énergie cinétique mécanique, qui est l'énergie cinétique d'un objet macroscopique de massemse déplaçant avec la vitessev. Il est donné par la formule :
KE_{mech}=\frac{1}{2}mv^2
Conseils
Pour un objet tombant sous l'effet de la gravité, la conservation de l'énergie mécanique nous permet de déterminer sa vitesse lors de sa chute sans utiliser les équations standard d'accélération constante du mouvement. Déterminez simplement l'énergie mécanique totale avant que l'objet ne commence à tomber (mgh), et quelle que soit la hauteur à laquelle il se trouve, la différence d'énergie potentielle doit être égale à 1/2 mv2. Une fois que vous connaissez l'énergie cinétique, vous pouvez résoudrev.
L'énérgie thermique, également appelée énergie thermique, est le résultat de la vibration des molécules d'une substance. Plus les molécules se déplacent rapidement, plus l'énergie thermique est élevée et plus l'objet est chaud. Plus le mouvement est lent, plus l'objet est froid. Dans la limite où tout mouvement s'arrête, la température de l'objet est de 0 absolu en unités de Kelvin.
La température est une mesure de l'énergie cinétique de translation moyenne par molécule. L'énergie thermique d'un gaz monoatomique idéal est donnée par la formule :
E_{thermique}=\frac{3}{2}Nk_BT
OùNest le nombre d'atomes,Test la température en Kelvin, etkBest la constante de Boltzmann 1,381 × 10-23 J/K.
En surface, cela peut être compris comme le même genre de chose que l'énergie cinétique mécanique. C'est le résultat d'objets (molécules dans ce cas) se déplaçant physiquement à une certaine vitesse. Mais ce mouvement se produit à l'échelle microscopique dans un objet plus grand, il est donc logique de le traiter différemment - surtout parce qu'il est impossible de rendre compte du mouvement de chaque molécule distincte à l'intérieur de quelque chose!
Notez également qu'il n'est pas logique de confondre cela avec l'énergie cinétique mécanique puisque cette énergie n'est pas si simplement transformé en énergie potentielle de la même manière que l'énergie cinétique d'une balle lancée en l'air est.
Vague d'énérgieetsonnerforment un type supplémentaire d'énergie cinétique, qui est l'énergie associée au mouvement des vagues. Avec une onde, une perturbation traverse un milieu. Tout point de ce milieu oscillera sur place au fur et à mesure que l'onde passe à travers - soit aligné avec la direction du mouvement (unonde longitudinale) ou perpendiculairement à celui-ci (unonde transversale), comme on le voit avec une vague sur une ficelle.
Pendant que les points du milieu oscillent sur place, la perturbation elle-même se déplace d'un endroit à un autre. C'est une forme d'énergie cinétique car elle est le résultat du mouvement d'un matériau physique.
L'énergie associée à une onde est généralement directement proportionnelle au carré de l'amplitude de l'onde. La relation exacte, cependant, dépend du type d'onde et du milieu dans lequel elle se déplace.
Un type d'onde est une onde sonore, qui est une onde longitudinale. C'est-à-dire qu'il résulte de compressions (régions dans lesquelles le milieu est comprimé) et de raréfactions (régions dans lesquelles le milieu est moins comprimé) dans, le plus souvent, de l'air ou un autre matériau.
Energie radianteest liée à l'énergie des vagues, mais ce n'est pas tout à fait la même chose. Il s'agit d'énergie sous forme de rayonnement électromagnétique. Vous êtes peut-être plus familier avec la lumière visible, mais cette énergie se présente sous des formes que nous ne pouvons pas voir aussi bien, telles que les ondes radio, les micro-ondes, les infrarouges, les ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma. C'est l'énergie transportée par les photons - des particules de lumière. On dit que les photons présentent une dualité particule/onde, ce qui signifie qu'ils agissent à la fois comme une onde et une particule.
L'énergie rayonnante diffère des ondes régulières d'une manière très critique: elle ne nécessite pas de milieu à travers lequel se déplacer. Pour cette raison, il peut voyager dans le vide de l'espace. Tous les rayonnements électromagnétiques voyagent à la vitesse de la lumière (la vitesse la plus rapide de l'univers !) dans le vide.
Notez que le photon n'a pas de masse, nous ne pouvons donc pas simplement utiliser l'équation de l'énergie cinétique mécanique pour déterminer l'énergie cinétique associée. Au lieu de cela, l'énergie associée au rayonnement électromagnétique est donnée par E = hf, oùFest la fréquence ethest la constante de Planck 6,626 × 10-34 Js.
Énergie électrique: L'énergie cinétique associée à une charge en mouvement est la même énergie cinétique mécanique 1/2mv2; cependant, une charge en mouvement génère également un champ magnétique. Ce champ magnétique, tout comme un champ gravitationnel ou électrique, a la capacité de transmettre de l'énergie potentielle à tout ce qui peut le « ressentir », comme un aimant ou une autre charge en mouvement.
Transformations énergétiques
L'énergie totale d'un système fermé est conservée. C'est-à-dire que le montant total, sous toutes les formes, reste constant même s'il est transféré entre les objets du système ou s'il change de forme ou de type.
Un excellent exemple de ceci est ce qui arrive à l'énergie cinétique, potentielle et totale d'une balle lancée en l'air. Supposons qu'une balle de 0,5 kg soit lancée vers le haut depuis le sol à une vitesse initiale de 20 m/s. Nous pouvons utiliser les équations cinématiques suivantes pour déterminer la hauteur et la vitesse de la balle à chaque seconde de son parcours :
v_f=v_i+at=20\text{ m/s}-gt\\ y_f=y_i+v_it+\frac{1}{2}at^2=(20 \text{ m/s})t-\frac{ g}{2}t^2
Si on se rapprochegcomme 10 m/s2, on obtient les résultats indiqués dans le tableau suivant :
Voyons maintenant cela d'un point de vue énergétique. Pour chaque seconde de voyage, nous pouvons calculer l'énergie potentielle en utilisantmghet l'énergie cinétique en utilisant 1/2mv2. L'énergie totale est la somme des deux. En ajoutant des colonnes à notre tableau pour l'énergie potentielle, cinétique et totale, nous obtenons :
•••n / A
Comme vous pouvez le voir, au début de sa trajectoire, toute l'énergie de la balle est cinétique. Au fur et à mesure qu'il s'élève, sa vitesse diminue et sa hauteur augmente, et l'énergie cinétique est transformée en énergie potentielle. Lorsqu'il est à son point le plus élevé, toute la cinétique initiale est devenue potentielle, puis le processus s'inverse en redescendant. Pendant tout le trajet, l'énergie totale est restée constante.
Si notre exemple avait inclus le frottement ou d'autres forces dissipatives, alors, alors que l'énergie totale serait encore conservée, l'énergie mécanique totale ne le serait pas. L'énergie mécanique totale serait égale à la différence entre l'énergie totale et l'énergie transformée en d'autres types, tels que l'énergie thermique ou sonore.