Vous utilisez probablement tout le temps le mot énergie dans votre vie de tous les jours, mais qu'est-ce que cela signifie vraiment? À quelle quantité physique obtenez-vous lorsque vous dites des choses comme « Je n'ai tout simplement pas l'énergie aujourd'hui » ou « Ces enfants ont besoin de brûler de l'énergie » ?
L'utilisation familière du mot peut vous donner une première idée de ce qu'est l'énergie, mais dans cet article, vous allez apprenez comment les physiciens définissent l'énergie, apprenez quels sont les différents types d'énergie et voyez quelques exemples le long du chemin.
Définition de l'énergie
L'énergie est la capacité de faire un travail ou de provoquer un changement. C'est différent d'une force. Une force est la chose qui provoque le changement, tandis que l'énergie peut être considérée comme l'impulsion derrière la force. Il faut de l'énergie pour appliquer une force, et appliquer une force à un objet lui transfère souvent de l'énergie.
L'unité SI d'énergie est le joule où 1 joule = 1 newton × 1 mètre ou 1 kg⋅m
Types d'énergie
Les deux formes d'énergie les plus fondamentales sonténergie potentielleeténergie cinétique. L'énergie potentielle est l'énergie stockée tandis que l'énergie cinétique est l'énergie du mouvement.
Les scientifiques font généralement la différence entre les versions macroscopiques et microscopiques de ces types d'énergie. Par example, énergie potentielle qui est stocké en raison de la gravité ou en raison d'un ressort comprimé est appelémécaniqueénergie potentielle. Mais les objets peuvent également avoir un type différent d'énergie potentielle stockée dans les liaisons entre les molécules et entre les nucléons d'un noyau atomique.
L'énergie cinétique mécanique est l'énergie due au mouvement d'un objet macroscopique. Mais à l'intérieur de tout objet, les molécules elles-mêmes ont leurs propres énergies cinétiques d'un type différent.
La somme du potentiel mécanique et de l'énergie cinétique d'un objet est appelée sonénergie mécanique totale. Ce n'est pas la même chose que l'énergie totale de l'objet, qui serait la somme de toutes les formes de son énergie, y compris thermique, chimique, etc.
Le type d'énergie potentielle stockée dans les liaisons moléculaires est une forme d'énergie appeléechimiqueénergie. L'énergie stockée dans les liaisons atomiques ou les liaisons nucléaires est appeléeatomiquel'énergie ounucléaireénergie.
L'énergie cinétique qui existe au niveau moléculaire en raison des vibrations et des mouvements des molécules est appeléethermiquel'énergie ouChaufferénergie. Lorsque vous mesurez la température, vous mesurez la quantité moyenne de ce type d'énergie.
L'énergie potentielle mécanique plus en détail
Les types d'énergie potentielle mécanique les plus courants sur lesquels vous pourriez vous renseigner comprennent :
- Énergie potentielle gravitationnelle:L'énergie stockée dans un objet en fonction de sa position dans un champ gravitationnel. Par exemple, une balle tenue au-dessus de la terre a une énergie potentielle gravitationnelle. Une fois relâché, il chutera en conséquence.
- Énergie potentielle électrique :C'est l'énergie stockée dans un objet chargé en raison de sa position dans un champ électrique. Par exemple, les électrons d'un circuit vont se doter d'une certaine quantité d'énergie potentielle électrique due à la batterie. Lorsque le circuit est connecté, cela fait circuler les électrons.
- Énergie potentielle magnétique :Il s'agit d'énergie stockée dans un objet avec un moment magnétique en raison de son emplacement dans un champ magnétique. Pensez au moment où vous tenez deux boutons magnétiques l'un à côté de l'autre et que vous les sentez tirer; c'est à cause de l'énergie potentielle magnétique.
- Énergie potentielle élastique:C'est de l'énergie stockée dans un matériau élastique. Par exemple, un élastique étiré a emmagasiné de l'énergie, tout comme un ressort comprimé. Lorsque l'un ou l'autre sont relâchés, ils se déplacent.
L'énergie cinétique mécanique plus en détail
L'énergie cinétique mécanique diffère de l'énergie potentielle en ce qu'elle est associée au mouvement, et il n'existe qu'une seule variété. Une équation simple donne l'énergie cinétique de tout objet de massemse déplacer avec vitessev. C'est-à-dire:
KE = \frac{1}{2}mv^2
Plus un objet se déplace rapidement ou plus il est lourd, plus il a d'énergie cinétique.
Lorsqu'un objet qui a de l'énergie potentielle est libéré et autorisé à se déplacer librement, il commencera à accélérer. En conséquence, son énergie cinétique augmente. Dans le même temps, l'énergie potentielle diminue. En net, l'énergie mécanique totale de l'objet reste constante (en supposant qu'aucun frottement ou forces similaires n'agissent), c'est juste que l'énergie change de forme.
Équations pour l'énergie
Dans la dernière section, l'équation de l'énergie cinétique mécanique a été introduite. Il existe également des formules pour différents types d'énergies potentielles ainsi que des équations qui décrivent la relation entre l'énergie et d'autres quantités physiques.
L'énergie potentielle gravitationnelle de la massemen hauteurhau-dessus de la Terre est :
PE_{grav} = mgh
Oùg= 9,8 m/s2 est l'accélération due à la pesanteur.
L'énergie potentielle électrique d'une chargeqà tensionVest simplement:
PE_{élec} = qV
le énergie potentielle stockée dans un ressort est donné par:
PE_{ressort} = \frac{1}{2}k\Delta x^2
Oùkest le constante de ressort (une constante qui dépend de la raideur du ressort) etxest la quantité par laquelle le ressort est comprimé ou étiré.
Le changement d'énergie thermique (alias énergie thermique transférée) est donné par l'équation suivante :
Q = mc\Delta T
OùQest l'énergie,mest la masse,cest la capacité thermique massique etTest le changement de température en unités de Kelvin.
La quantité physique travail (définie comme le produit de la force et du déplacement) a les mêmes unités que l'énergie (J ou Nm). Les deux quantités, le travail et l'énergie cinétique, sont liées via le théorème de l'énergie cinétique du travail, qui stipule que le travail net sur un objet est égal à la variation de l'énergie cinétique de l'objet.
La loi de la conservation de l'énergie
Un fait fondamental de la nature est que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite. Ceci est résumé dans le loi de conservation de l'énergie. Cette loi stipule que l'énergie totale d'un système isolé reste constante.
Bien que l'énergie totale reste constante, elle peut changer et change souvent de forme. Le potentiel peut se transformer en cinétique, la cinétique peut se transformer en énergie thermique, etc. Mais le montant total reste toujours le même.
Il est important de noter que cette loi spécifie un système isolé. Un système isolé est un système qui ne peut en aucun cas interagir avec son environnement. Le seul système possiblement parfaitement isolé dans l'univers est, eh bien, l'univers lui-même. Cependant, il est possible de faire de nombreux systèmes sur Terre qui sont proches d'être isolés (tout comme il est possible de rendre le frottement négligeable, même s'il n'est jamais égal à 0.)
La conversion d'énergie peut se produire de plusieurs manières, généralement à partir de l'énergie stockée libérée sous forme d'énergie cinétique ou d'énergie rayonnante.
L'énergie chimique, par exemple, peut être libérée lors de réactions chimiques. Au cours d'une telle réaction, elle passe de l'énergie potentielle chimique à une autre forme, qui peut inclure l'énergie radiante ou l'énergie thermique.
L'énergie nucléaire est libérée lors d'une réaction nucléaire. C'est là que le célèbre EinsteinE = mc2l'équation entre en jeu (l'énergie est égale à la masse multipliée par la vitesse de la lumière au carré). La masse d'un noyau qui se sépare pour libérer de l'énergie sera finalement légèrement plus légère d'une quantité déterminée par la formule d'Einstein. Aussi fou que cela puisse paraître, la masse elle-même peut être considérée comme une forme d'énergie potentielle.
Sources d'énergie électrique utilisable sur Terre
Ici sur Terre, vous utilisez probablement souvent de l'énergie électrique. Chaque fois que vous allumez une lumière dans votre maison ou lisez quelque chose sur un écran électronique comme vous l'êtes en ce moment, vous utilisez de l'énergie électrique. Mais d'où vient cette énergie ?
La réponse évidente est les piles ou la prise murale, mais quelle est la source principale réelle ?
En ce qui concerne les batteries, l'énergie est souvent stockée chimiquement dans une cellule de batterie, mais de nombreux appareils électroniques nécessitent que leurs batteries soient rechargées en les connectant à une prise murale.
L'énergie qui arrive à votre maison par les lignes électriques provient d'une centrale électrique quelque part. Les centrales électriques ont de nombreuses façons de récupérer l'énergie et de la transformer en énergie électrique.
Certaines sources courantes d'énergie récupérées par les centrales électriques et converties en électricité comprennent :
- Énergie solaire:C'est l'énergie rayonnante qui vient du soleil et qui peut être captée par des cellules solaires.
- L'énergie géothermique:Il s'agit d'énergie thermique trouvée profondément dans le sol qui peut ensuite être transférée à la surface de la Terre pour être utilisée.
- Combustibles fossiles:Il s'agit notamment du charbon et du pétrole, qui sont souvent brûlés pour libérer l'énergie stockée dans des liaisons chimiques.
- Énergie nucléaire:Les centrales nucléaires produisent de l'énergie en brisant les noyaux atomiques et en exploitant l'énergie stockée dans les liaisons nucléaires.
- Énergie hydroélectrique :C'est l'énergie qui provient de l'énergie potentielle gravitationnelle ainsi que de l'énergie cinétique dans l'eau qui coule.
- L'énergie éolienne:Pour récolter l'énergie éolienne, des turbines géantes sont utilisées. Le vent fait tourner les turbines, leur transférant son énergie.
L'énergie dans le corps humain
Rappelez-vous au début de cet article où les phrases « Je n'ai tout simplement pas l'énergie aujourd'hui » et « Ces enfants ont besoin de brûler de l'énergie » ont été mentionnées? Les humains utilisent de l'énergie tout le temps, et pas seulement à partir de leurs appareils électroniques. Les grands mouvements de votre corps et les petits processus au sein de votre corps nécessitent de l'énergie.
Il faut de l'énergie pour courir, marcher, nager ou même simplement se brosser les dents. Vous vous souvenez de l'énergie cinétique? Lorsque vous vous déplacez, vous le faites via l'énergie cinétique. Cette énergie doit venir de quelque part.
De nombreux processus invisibles qui se déroulent dans votre corps nécessitent également de l'énergie, comme la respiration, la circulation sanguine, la digestion, etc.
D'où les humains tirent-ils leur énergie? La nourriture, bien sûr! La nourriture que vous mangez contient de l'énergie chimique. Lorsque cette nourriture pénètre dans votre estomac, votre acide gastrique décompose la nourriture, et certains les molécules de la nourriture se dirigent vers tous les différents endroits de votre corps qui pourraient avoir besoin énergie. Ensuite, lorsque le besoin s'en fait sentir, de l'énergie est obtenue via une petite réaction chimique.
Maintenant, si vous ne mangez pas toute la journée et que vous courez beaucoup, vous dépensez beaucoup d'énergie et vous vous sentirez «vidé» jusqu'à ce que vous mangiez et fournissiez à votre corps plus de ce dont il a besoin.
