L'énergie est une grandeur qui peut prendre plusieurs formes. Sa caractéristique est qu'elle ne peut être ni créée ni détruite. Ainsi, l'énergie d'un système isolé se conserve. L'énergie liée au mouvement d'un système est l'énergie mécanique, somme de son énergie cinétique, liée à sa vitesse, et de son énergie potentielle de pesanteur, liée à son altitude. Cette énergie mécanique se conserve si la seule force que subit le système est son poids, ce qui est le cas lors d'une chute libre.
Les différentes formes de l'énergie
La notion d'énergie
Énergie
L'énergie d'un système exprime sa capacité à modifier l'état d'autres systèmes avec lesquels il est en interaction. Son unité est le joule (J).
L'énergie apparaît sous un très grand nombre de formes différentes : énergie cinétique, potentielle de pesanteur, mécanique, thermique, chimique, électrique, de rayonnement, nucléaire, etc.
L'énergie liée à la vitesse : l'énergie cinétique
Énergie cinétique
L'énergie cinétique Ec d'un système de masse m animé d'un mouvement de translation est l'énergie qu'il possède du fait de sa vitesse de valeur v :
E_{c \left(J\right)} = \dfrac{1}{2} \times m_{\left(kg\right)} \times v^{2}_{\left(m.s^{-1}\right)}
L'énergie cinétique d'un solide de masse 10 kg se déplaçant avec une vitesse de valeur 2,0 m.s-1 est :
E_{c} = \dfrac{1}{2} \times m \times v^{2} = \dfrac{1}{2} \times 10 \times 2{,}0^{2} = 20 J
Il est utile de savoir convertir les vitesses exprimées en km.h-1 en m.s-1 et inversement :
v_{\left(m.s^{-1}\right)} = \dfrac{v_{\left(km.h^{-1}\right)}}{3{,}6} et v_{\left(km.h^{-1}\right)} = 3{,}6 \times v_{\left(m.s^{-1}\right)}
Une vitesse de 130 km.h-1 correspond à \dfrac{130}{3{,}6} = 36 m.s-1.
Comme la vitesse, l'énergie cinétique dépend du référentiel.
L'énergie liée à l'altitude : l'énergie potentielle de pesanteur
Énergie potentielle de pesanteur
L'énergie potentielle de pesanteur EPP d'un système de masse m est l'énergie qu'il possède du fait de son altitude z par rapport à la référence des énergies potentielles de pesanteur :
E_{PP \left(J\right)} = m_{\left(kg\right)} \times g_{\left(N.kg^{-1}\right)} \times z_{\left(m\right)}, où g est l'intensité de la pesanteur : g = 9,81 N.kg-1
L'énergie potentielle de pesanteur d'un solide de masse 10 kg situé à une altitude de 2,50 m par rapport au sol est :
E_{PP} = m \times g \times z = 10 \times 9{,}81 \times 2{,}50 = 2{,}5 \times 10^{2} J.
L'énergie potentielle d'un système peut être négative : cela signifie que le système est en dessous de l'altitude choisie comme référence. Mais, généralement, on évite cette situation.
L'énergie mécanique
Énergie mécanique
L'énergie mécanique E_M d'un système est la somme de son énergie cinétique E_C et de son énergie potentielle de pesanteur E_{PP} :
E_{M \left(J\right) }= E_{C \left(J\right)} + E_{pp \left(J\right)}
L'énergie mécanique d'un solide de masse 10 kg se déplaçant avec une vitesse de valeur 2,0 m.s-1 à une altitude de 2,50 m par rapport à la référence des énergies potentielles de pesanteur est :
E_{M} = E_{C} + E_{PP} = \dfrac{1}{2} \times m\times v^2 + m \times g \times z = \dfrac{1}{2} \times 10 \times 2{,}0^2 + 10 \times 9{,}81 \times 2{,}5 = 2{,}7 \times 10^2 J.
Le principe de conservation de l'énergie
Énoncé
Principe de conservation de l'énergie
L'énergie d'un système isolé ne peut être ni créée ni détruite : elle se conserve.
Toute diminution de l'énergie d'un système s'accompagne d'une augmentation de même valeur de l'énergie d'autres systèmes.
Exemple de l'énergie mécanique
Chute libre
Un solide est en chute libre quand il n'est soumis qu'à son poids ou que les autres forces qui s'exercent sur lui sont négligeables devant son poids.
Un parachutiste saute d'un avion et l'on néglige les frottements que l'air exerce sur lui :
- Avant qu'il n'ouvre son parachute, il n'est soumis qu'à son poids : il est donc en chute libre.
- Après qu'il ait ouvert son parachute, il est soumis à son poids et à l'action de l'air sur la toile du parachute : il n'est donc plus en chute libre.
Conservation de l'énergie mécanique
Si la seule force qui s'exerce sur un solide est son poids (ou si les autres forces se compensent), son énergie mécanique se conserve :
\Delta E_{m} = 0 J.
C'est le cas pour un solide en chute libre.
Une balle lancée vers le haut a un mouvement parabolique :
Mouvement parabolique d'une balle lancée
Si les frottements sont inexistants ou négligeables, la balle est en chute libre et donc son énergie mécanique se conserve : lors de sa montée, au fur et à mesure que son énergie cinétique diminue son énergie potentielle de pesanteur augmente et inversement lors de sa descente.
Énergie cinétique, potentielle de pesanteur et mécanique en fonction du temps lors du mouvement parabolique sans frottements d'une balle lancée
Si les frottements ne sont pas négligeables, la balle n'est pas en chute libre et donc son énergie mécanique ne se conserve pas : lors des transferts d'énergie cinétique en énergie potentielle de pesanteur (ou inversement) une partie de l'énergie de la balle est dissipée à cause des frottements et son énergie mécanique diminue au cours du temps.
Énergie cinétique, potentielle de pesanteur et mécanique en fonction du temps lors du mouvement parabolique avec frottements d'une balle lancée
Application à la découverte du neutrino dans la désintégration β-
En 1914, James Chadwick mesure l'énergie de l'électron émise lors d'une désintégration \beta^{-} et constate que le principe de conservation de l'énergie n'est pas respecté car l'énergie du noyau père reste supérieure à la somme de celles du noyau fils et de cet électron :
{E}_{père} \gt {E}_{fils} + {E}_{électron}
Dans les années 30, Wolfgang Pauli postule qu'une autre particule, neutre et alors inconnue, était aussi émise lors de cette désintégration et qu'en tenant compte de son énergie le principe de conservation de l'énergie était bien respecté. C'est seulement en 1956 que son hypothèse fut confirmée, la particule en question étant un antineutrino.
L'écriture complète d'une réaction de désintégration \beta^{-} fait apparaître l'antineutrino, noté \overline{\nu_{e}} :
_{Z}^{A}X \ce{->} _{Z+1}^{A}Y^{*} + _{-1}^{0}e + \overline{\nu_{e}}
Les désintégrations \beta^{+} s'accompagnent, elles, de l'émission d'un neutrino noté \nu_{e}.
Écriture complète d'une réaction de désintégration \beta^{+} :
_{Z}^{A}X \ce{->} _{Z-1}^{A}Y^{*} + _{1}^{0}e + \nu_{e}