L’énergie (4 – énergie thermique ou chaleur)

Nous venons de voir les deux formes d’énergie mécanique les plus usuelles :

  • L’énergie potentielle
  • L’énergie cinétique

Mais dans le cas de l’automobile cité en exemple ? Où se trouve passée l’énergie, qui à raison de 20 kJ chaque seconde, permet de développer la force de traction à opposer à la résistance à l’avancement ?

Habituellement, lorsque des objets roulent, les différents frottements qui se produisent entre l’objet et l’air autour de l’objet d’une part, entre l’objet et le sol d’autre part, se traduisent par une agitation aléatoire et confuse des atomes constituant l’objet. Et ces mouvements des atomes représentent une certaine quantité d’énergie cinétique. En physique, nous appelons énergie thermique une telle sorte d’énergie cinétique d’un mouvement interne.

James Joule (1818-1889) utilisa une machine analogue à celle représentée ci-dessous pour établir l’équivalence de l’énergie thermique et de l’énergie mécanique. La chute d’un poids y entraîne la rotation de palettes dans l’eau contenue dans un récipient isolé. L’énergie mécanique fournie au système est calculée à partir de la distance parcourue par le poids.

La température de l’eau est mesurée, et son élévation est utilisée pour calculer la quantité de chaleur nécessaire pour produire le même effet.

Joule mesura ainsi la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1°C la température de un gramme d’eau liquide. Il trouva que cette quantité, appelée la calorie, est égale à 4,18 Joules. La calorie a survécu comme unité en physiologie de la nutrition, ou l’on compte encore les rations énergétiques en kilocalories (kcal).

Travail d’une force

L’étude de la chose abstraite que les physiciens appellent énergie est grandement facilitée par l’introduction de la notion de travail. Attention ! Voilà encore un mot du langage courant que les physiciens ont choisi d’utiliser avec un sens qui n’est pas le même que dans le langage courant.

En science, on dit qu’un travail est accompli chaque fois qu’un objet est déplacé par une force.

Dans le dispositif ci-dessous, une bille percute un piston, et le mouvement du piston sert, via une série d’engrenages, à soulever d’une hauteur H le poids P d’une autre bille.

On peut vérifier expérimentalement que le travail W accompli pour soulever cette seconde bille est égal à l’énergie cinétique de la bille en mouvement. Toute l’énergie cinétique a été convertie en une quantité de travail W = P.H Joules.

C’est cette considération qui permet maintenant de donner une définition de l’énergie :

En fait, l’énergie n’est rien d’autre que cela. La capacité d’accomplir un travail. Nous en avons montré un exemple en partant d’énergie cinétique. Ceci constitue le principe de fonctionnement de ce qu’on appelle la propulsion à réaction. Dans ce type d’application, l’énergie cinétique d’un jet de gaz de combustion est transformée en travail d’une force de poussée.

La même capacité d’accomplir un travail existe bien entendu avec de l’énergie potentielle, comme cela est montré sur la figure suivante:

A gauche, un poids très lourd est prêt à descendre.

A droite, il est parvenu à une plateforme et a soulevé un poids plus léger.

Le poids lourd a donc accompli un certain travail W, et il devait donc posséder de l’énergie pour cela.

Cette énergie était l’énergie potentielle initiale du premier poids.

Cette énergie potentielle a été entièrement convertie en une quantité de travail W.

Les deux expériences décrites impliquent que la somme des énergies potentielle et cinétique de chaque poids (on nomme cette somme l’énergie totale) est constante.

Autres formes d’énergie

Il y a d’autres formes d’énergie que l’énergie mécanique (sous ses deux formes potentielle et cinétique) et l’énergie thermique. Nous n’allons pas les décrire en détail, mais seulement les mentionner.

Il existe encore :

  • L’énergie électrique, liée aux forces d’attraction et de répulsion entre charges électriques.
  • L’énergie de rayonnement, dont une manifestation visible est l’énergie de la lumière.
  • L’énergie nucléaire, liée à l’arrangement des particules élémentaires constituant le noyau des atomes.

Ce qu’il est fondamental de retenir, c’est que toutes les formes connues d’énergie peuvent théoriquement se convertir les unes dans les autres en respectant le principe de la conservation de l’énergie. Ce sont seulement les dispositions qu’il est indispensable de mettre en œuvre pour opérer ces conversions (ce qu’on appelle la technologie) qui rendent certaines d’entre elles sans intérêt pratique ou bien économique, et d’autres absolument capitales du point de vue de la vie économique.

Revenir à l’article précédent:  (L’énergie – 3 – Les principes fondamentaux de la mécanique)

Lire la suite: (L’énergie – 5 – Sources d’énergie)

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2 Comments

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