énergie

(bas latin energia, du grec energia, force en action)

Grandeur caractérisant un système physique, gardant la même valeur au cours de toutes les transformations internes du système (loi de conservation) et exprimant sa capacité à modifier l'état d'autres systèmes avec lesquels il entre en interaction. (Unité SI le joule.)

PHYSIQUE

L'énergie est l'un des concepts de base de la physique grâce à une propriété fondamentale : un système isolé a une énergie totale constante. Il ne peut donc y avoir création ou disparition d'énergie, mais simplement transformation d'une forme d'énergie en une autre ou transfert d'énergie d'un système à un autre.

Énergie cinétique. Travail

En mécanique classique, une particule ponctuelle de masse m et de vitesse  a, par définition, une énergie cinétique . L'énergie cinétique totale d'un ensemble de particules est la somme des énergies de chacune des particules. Pour modifier l'énergie cinétique d'un objet de masse M, il faut modifier la vitesse de celui-ci et donc faire agir sur lui une force . La variation d'énergie cinétique entre deux instants t₁ et t₂ est égale au travail de la force au cours du déplacement M₁M₂ de l'objet entre t₁ et t₂ :
.
Le travail est moteur si l'énergie cinétique augmente et résistant en cas contraire.

Pour en savoir plus, voir l'article énergie cinétique

Énergie potentielle

Le travail dépend en général du chemin suivi pour aller de M₁ à M₂. Lorsqu'il ne dépend pas du chemin suivi, mais seulement des positions initiale et finale M₁ et M₂, on peut associer à une fonction U(M), appelée énergie potentielle, dépendant de la position du point M et telle que le travail entre M₁ et M₂ soit égal à la variation de U :
W(M₁ → M₂) = U(M₁) − U(M₂).

À chaque type d'interaction correspond une énergie potentielle particulière : électrostatique, de gravitation, élastique, etc.

Pour en savoir plus, voir l'article énergie potentielle

Énergie mécanique, conservation de l'énergie

L'énergie mécanique est la somme de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle. Pour un système isolé, sans interaction avec d'autres systèmes, elle est constante au cours du temps. Au cours du mouvement, l'énergie cinétique peut se transformer en énergie potentielle et vice versa sans que leur somme ne change (exemple : pendule oscillant).

Toutefois, du fait de la résistance de l'air et des frottements du fil du pendule avec son axe, le mouvement du pendule oscillant (système non isolé) finit par s'amortir. Mais la perte d’énergie due aux frottements est aussi une énergie : elle se manifeste sous la forme de chaleur.

La chaleur, forme d'énergie

La chaleur apparaît donc comme une limitation de l'énergie mécanique. Ce concept, qui va bien au-delà de la sensation physique (brûlure, par exemple), est très difficile à appréhender simplement – c'est l'un des sujets principaux de la thermodynamique. Ludwig Boltzmann, au xix^e s., a donné une interprétation microscopique de la chaleur qui aide à comprendre le phénomène du frottement. Dans le modèle atomique d'un gaz contenu dans un récipient, les molécules sont animées d'un mouvement chaotique et aléatoire : elles s'entrechoquent et rebondissent sur les parois. Chacune d'elles a une vitesse et produit donc une énergie cinétique. À l'échelle macroscopique, ce gaz est constitué d'un nombre très grand de molécules, si bien que l'on observe et mesure des phénomènes qui ne sont que des moyennes statistiques de grandeurs corpusculaires. Par hypothèse, Boltzmann a identifié l'énergie cinétique moyenne des molécules avec la température ; celle-ci peut alors s'interpréter comme une mesure de l'agitation moléculaire, dite agitation thermique. La chaleur est produite par l'augmentation de la température, donc par l'augmentation d'agitation des molécules, ce qui se traduit par un accroissement de l'énergie cinétique de celles-ci. Ainsi, la chaleur est une des formes de l'énergie mécanique, mais, du fait qu'elle concerne une énergie mécanique microscopique et non macroscopique, c'est une énergie « dégradée », non directement utilisable sous forme de mouvement à l'échelle humaine.

Énergie et relativité

En relativité, la loi de conservation de l'énergie demeure exacte, mais l'expression de l'énergie cinétique est modifiée : un objet de masse M se déplaçant à une vitesse v a une énergie  ; où c est la vitesse de la lumière. Pour v = 0, l'énergie n'est pas nulle et vaut E₀ = M c², appelée énergie au repos ou énergie de masse. Cette relation, inconnue en mécanique classique, implique une équivalence entre masse et énergie, qui peuvent se transformer l'une dans l'autre : ce type de transformation est courant en physique nucléaire et en physique des particules. Une autre conséquence de la relation vitesse-énergie est l'impossibilité pour une particule de masse non nulle d'atteindre la vitesse de la lumière c, puisqu'il faudrait lui communiquer pour cela une quantité d'énergie infinie.