P4. Énergie

• Unités d’énergie
• Conservation de l’énergie

Unité

L’unité S.I. de l’énergie et le joule (noté J). Un joule est une énergie assez modeste : c’est, par exemple, l’énergie qu’il faut donner à un objet de 100 g pour le faire monter de 1 m (sur Terre – ce n’est pas forcément vrai ailleurs, car cette énergie dépend de l’intensité du champ de pesanteur, nous en reparlerons).

Il existe d’autres unités d’énergie que l’on utilise dans la vie quotidienne : calorie, watt-heure, tonne-équivalent-pétrol (TEP), électron-volt (eV). Je vous les signale ici, mais nous n’en reparlerons plus dans ce cours.

Loi de conservation de l’énergie

Gardez bien en tête ces deux points que nous venons de voir. Ils nous serviront pour la suite du chapitre.

• Identifier les différentes formes d’énergie
• Conversion d’une forme d’énergie en une autre
• Énergies cinétique (relation $* E_C = \frac 12 mv^2 *$), potentielle (dépendant de la position), thermique, électrique, chimique, nucléaire, lumineuse.

L’énergie peut prendre différentes formes. Lorsque « quelque chose se passe » (oui, c’est vague, mais c’est volontaire 😊), c’est qu’il y a transformation d’une forme d’énergie en une autre

Énergie mécanique (liée à la position et au mouvement)

• énergie cinétique, associée au mouvement d'un corps ou d'une particule ;
• énergie potentielle de pesanteur, associée à la position d’un objet dans un champ de pesanteur ;
• énergie potentielle élastique, associée à une déformation élastique d’un objet.

Ces trois formes d’énergie font partie de ce qu’on appelle l’énergie mécanique d’un objet. Car elles sont dues à la position ou à la vitesse de cet objet, qui sont des grandeurs que l’on étudie en mécanique (que l’on a abordée dans le chapitre P2). Arrêtons-nous quelques instant sur les deux premières formes de l’énergie mécanique.

Énergie cinétique

L’énergie cinétique $*E_C*$ d’un objet ou d’un système est liée à sa masse $*m*$ et à sa vitesse $*v*$. Elle se calcule par la relation :

✋ Attention : comme la vitesse d’un objet dépend du référentiel dans lequel on l’étudie, alos son énergie cinétique dépend aussi du référentiel choisi.

Énergie potentielle de pesanteur

L’énergie potentielle de pesanteur $*E_{PP}*$ d’un objet ou d’un système est liée à sa masse $*m*$, à son altitude $*z*$ et à l’intensité du champ de pesanteur $*g*$. On a vu au chapitre P3 qu’à la surface de la Terre, $*g*$ vaut environ 9,8 N·kg^-1 (cette valeur n’est pas à savoir par cœur).
Elle se calcule par la relation :

$* E_{PP} = mgz *$

$*m*$ : masse (kg) $*g*$ : intensité du champ de pesanteur (N·kg-1) $*z*$ : altitude (m)

✋ Attention : comme l’altitude dépend de l’origine des altitudes choisie (par exemple, le niveau de la mer, le sol de la classe, la surface de la table…) l’énergie potentielle dépend elle aussi de l’origine des altitudes. Mais vous verrez plus tard pourquoi cela n’a pas vraiment d’importance.

Formes d’énergie électromagnétique

• énergie électrique, qui est l’énergie cinétique des particules chargées qui se déplacent en formant un courant électrique (nous en reparlerons au chapitre suivant) ;
• énergie de rayonnement électromagnétique, transportée par les photons (lumière, ondes radios, rayons X et γ… ;
• énergie potentielle électromagnétique, liée à une particule électriquement chargée placée dans un champs électrique ou à un aimant placé dans un champ magnétique.

Nous parlerons un peu de l’énergie électrique au chapitre suivant, et de l’énergie de rayonnement électromagnétique plus loin dans ce chapitre.

Énergie thermique

La chaleur, autre nom de l’énergie thermique, est présente partout. Elle correspond à l’énergie cinétique des particules d’un corps. À moins que ce corps ne se trouve au « zéro absolu », les particules qui le composent sont animées de mouvements désordonnés et possède donc une certaine énergie cinétique.

Elle est donc omniprésente (car aucun corps ne peut se trouver au zéro absolu, même dans les endroits les plus froids de l’espace). Elle est présente dans la plupart des phénomènes. Nous en reparlerons plus tard.

Autres formes d’énergie

• énergie potentielle chimique, contenue dans les molécules et autres entités à l’échelle des atomes ;
• chaleur latente, qui est libérée ou absorbée lors d’un changement d’état ;
• énergie de pression, liée à la pression d’un gaz ;
• énergie potentielle nucléaire, liée au noyau des atomes. C’est elle qui est libérée lors d’une réaction nucléaire.

• Sources et transferts
• Établir un bilan énergétique pour un système simple
• Analyser une situation où, pour un système donné, les valeurs des transferts d’énergie entrant et sortant sont différentes
• Identifier un dispositif de conversion d’énergie dont le fonctionnement s’accompagne d’une émission de CO₂

Exemple d’une bouilloire électrique

Lorsqu’on étudie l’aspect énergétique d’un phénomène ou d’une situation, il faut avoir les idées claires sur plusieurs notions :

• Source d’énergie : c’est ce qui apporte de l’énergie dans la situation que l’on étudie
• Transferts d’énergie : le ou les échanges d’énergie entre la source et les objets impliqués dans la situation
• Conversion d’énergie : le changement d’une forme d’énergie en une autre

Voici un exemple simple et concret pour se fixer les idées. Imaginons qu’on étudie une bouilloire électrique en train de chauffer de l’eau.

• Source d’énergie : il s’agit de la prise électrique. D’où vient l’énergie que cette prise est capable de fournir ? Ce n’est pas notre sujet ici, on ne va donc pas s’y intéresser.
• Transfert d’énergie : il y a un transfert d’énergie de la prise vers la bouilloire électrique, mais aussi de la bouilloire électrique à l’air environnant. La bouilloire électrique est chaude et cède une partie de sa chaleur à la pièce autour.
• Conversion d’énergie : la bouilloire reçoit de l’énergie électrique. Elle est capable de la convertir en chaleur (c’est-à-dire en énergie thermique).

Remarque : dans cet exemple, la bouilloire électrique accumule de l’énergie, car la température de l’eau qu’elle contient s’élève.

Exemple d’un moteur thermique

Un moteur thermique, c’est un moteur qui fonctionne grâce à une source de chaleur. Les moteurs fonctionnant avec de l’essence, du gasoil ou du gaz sont des moteurs thermiques.

On étudie ici le cas d’un moteur thermique. C’est un exemple un peu plus complexe (et donc plus intéressant) que le précédent.

• Source d’énergie : un moteur thermique tire son énergie de la combustion de son carburant. Ça signifie que la source d’énergie, c’est le carburant contenu dans le réservoir, mais aussi le dioxygène de l’air (il faut les deux pour que le moteur puisse fonctionner).
• Transferts d’énergie : il y a en a plusieurs ici. l’air et le réservoir de carburant transfert de l’énergie au moteur. Et le moteur transfert de l’énergie aux roues, mais aussi (et surtout) à l’air extérieur car il dégage de la chaleur.
• Conversion d’énergie : le moteur reçoit de l’énergie chimique. Il la transforme en énergie mécanique (qu’il transmet aux roues) et en chaleur (qu’il transmet à son environnement.

Bilan énergétique

Le bilan énergétique d’un système (par exemple, le moteur thermique que l’on a vu plus haut), se fait à l’aide d’un schéma très simple.

Bien sûr, dans le cas où le rôle de l’objet est de produire de la chaleur, cette chaleur n’est pas considérée comme « inutile » puisque c’est le but même de l’objet. Mais dans les autres cas, la chaleur produite n’est pas une forme d’énergie souhaitée. Elle est donc « inutile » et constitue même une perte d’énergie.

Exemple du moteur thermique

Bilan énergétique

Faire un bilan énergétique des appareils suivants lorsqu’ils fonctionnent :

• Une ampoule électrique
• Un radiateur électrique
• Des panneaux solaires photovoltaïques
• Une éolienne

Correction

Accumulation d’énergie

Rappelez-vous ce qu’on a dit au début du chapitre : l’énergie ne peut être ni créée, ni détruite. Ça signifie que si un système reçoit plus d’énergie qu’il n’en cède au milieu extérieur, celui-ci accumule de l’énergie en lui.
Et inversement, si un système cède plus d’énergie qu’il n’en reçoit, celui-ci perd de l’énergie qu’il avait précédemment accumulée.

Le mieux est de faire tout de suite un petit exercice sur le sujet. 😊

Production d’énergie et CO₂

La principale source d’énergie utilisée par l’Humanité depuis la révolution industrielle (vers 1850) sont les combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel).
Lors de leur combustion, ces combustibles réagissent avec le dioxygène de l’air pour donner notamment du $*\ce{CO2}*$ et de l’eau (nous avons vu un exemple de combustion au chapitre C4).

Cette production de $*\ce{CO2}*$ en quantité très importante est responsable du dérèglement climatique actuel et oblige l’Humanité à changer son mode d’approvisionnement en énergie ainsi qu’à réduire ses besoins.

• Utiliser la relation liant puissance, énergie et durée
• Notion de puissance

La puissance échangée par un dispositif (c’est-à-dire produite ou absorbée), c’est tout simplement la quantité d’énergie échange chaque seconde.

Une puissance s’exprime en watt (W). 1 W = 1 J·s^-1

• Associer l’émission et l’absorption d’un rayonnement à un transfert d’énergie
• Rayonnement émis par un objet
• Absorption d’un rayonnement par un objet
• Transfert d’énergie par rayonnement
• Absorption du rayonnement terrestre par les gaz à effet de serre

Dans ce paragraphe, on ne parlera que des rayonnements électromagnétiques (ondes radios, infrarouges, lumière visible, ultraviolets, rayons X et rayons $*\gamma*$.

Émission de rayonnement

Certains objets émettent un rayonnement électromagnétique. Votre téléphone émet des ondes radios, une ampoule électrique émet des rayonnements de lumière visible et infrarouge, un scanner d’hôpital émet des rayons X.
Les mécanismes d’émission de rayonnement sont très divers et trop complexes pour être étudiés en troisième.
Mais retenez qu’une émission de rayonnement correspond à une émission d’énergie. Pour émettre un rayonnement, un objet perd de l’énergie (qui correspond à l’énergie émise sous forme de rayonnement).

Le Soleil, comme toutes les étoiles, perd peu à peu l’énergie qu’il contient en l’émettant sous forme de rayonnements. Un jour, il finira par s’éteindre.
Une ampoule électrique transforme l’énergie électrique qu’elle reçoit en rayonnement (visible et infrarouge) – et en chaleur, mais ici, ça ne nous intéresse pas). Si on supprime cette arrivée d’énergie, l’ampoule cesse d’émettre des rayonnements.

Absorption de rayonnement

Certains objets peuvent absorber les rayonnements. Par exemple, un objet noir absorbe une grande partie de la lumière visible qu’il reçoit.
Lorsqu’un objet absorbe un rayonnement, il absorbe de l’énergie. Le plus souvent cette énergie absorbée est transformée en chaleur. C’est pourquoi un objet noir placé au soleil devient plus chaud qu’un objet blanc : l’objet blanc diffuse la lumière qu’il reçoit, sans l’absorber.

Rayonnement terrestre et effet de serre

Tous les objets émettent un rayonnement qui dépend de leur température. Les objets suffisamment chauds émettent de la lumière visible tandis que les objets plus froids n’émettent que des rayonnements infrarouges.

Stabilité de la température moyenne de la Terre

La Terre (sa surface et son atmosphère) émet des rayonnements infrarouge – comme toutes les planètes. En émettant ces rayonnements, la Terre perd de l’énergie. Cette émission des rayonnement tend à faire diminuer sa température. Mais en même temps, la Terre reçoit les rayonnements du Soleil qui ont tendance à faire augmenter sa température.
La stabilité climatique de la Terre est due au fait que celle-ci reçoit autant d’énergie solaire qu’elle n’en perd en émettant son rayonnement.

Effet de serre

Certains gaz présents dans l’atmosphère (notamment le dioxyde de carbone) absorbent une partie des rayonnements émis par la Terre et les transforment en chaleur. Ils jouent en quelque sorte le rôle d’une « couverture » qui garde la chaleur de la Terre. Sans eux, la température à la surface de la Terre serait sensiblement plus basse (environ 30 °C de moins en moyenne).

L’augmentation de la quantité de $*\ce{CO2}*$ dans l’atmosphère terrestre, qui est due à l’utilisation massive de combustibles fossiles depuis près de deux siècles, augmente cet effet de serre. Cela signifie que l’atmosphère terrestre retient de plus en plus les rayonnements émis par la Terre.
Par conséquent, comme la Terre perd moins d’énergie par rayonnement, mais en reçoit toujours autant en provenance du Soleil, celle-ci accumule de l’énergie et donc se réchauffe.

Énergie rayonnée par le Soleil

Le Soleil émet des rayonnements ultraviolets, visibles et infrarouges. La Terre reçoit une partie de cette énergie.

Questions

1. Sous quelle forme la Terre reçoit-elle de l’énergie ? Quelle est la source de cette énergie ?
2. Sous quelle forme la Terre perd-elle de l’énergie ?
3. Comment peut-on justifier que l’énergie reçue par la Terre est à peu près égale à l’énergie qu’elle émet dans l’espace ?