Qu’est-ce que l’énergie – Physique – Définition

Étant donné que l’énergie est une quantité physique fondamentale et qu’elle est utilisée dans diverses branches physiques et techniques, il existe de nombreuses unités en physique et en génie. Ces unités sont résumées dans les points suivants:

Exemples d’énergie de 1 joule

Un joule dans la vie quotidienne et dans la science correspond à peu près:

• L’énergie cinétique d’un objet de masse 1 kg se déplaçant à √2 ≈ 1,4 m / s .
• L’énergie cinétique d’un objet de 50 kg (par exemple humain) se déplaçant très lentement – environ 0,72 km / h .
• L’énergie nécessaire pour soulever une pomme de taille moyenne ( 100 g ) à 1 mètre verticalement de la surface de la Terre.
• La chaleur nécessaire pour élever la température de 1 g d’ eau de 0,24 ° C .
• La chaleur nécessaire pour évaporer de 0,00044 g d’eau liquide à 100 ° C.
• La quantité d’électricité requise pour allumer une LED de 1 watt pendant 1 s .
• Est libéré par environ 3,1 ⋅ 10 ¹⁰ fissions dans un réacteur nucléaire.

Formes d’énergie

L’énergie existe sous plusieurs formes. Les formes d’énergie courantes incluent l’énergie mécanique qui est classiquement divisée en énergie cinétique et potentielle . L’énergie cinétique est liée à la vitesse d’un objet en mouvement . L’énergie potentielle est liée à la position d’ un objet dans un champ de force (gravitationnel, électrique ou magnétique). La tension dans un ressort ou la tension du film de surface sont d’autres formes d’énergie mécanique potentielle (énergie élastique). Il existe de nombreuses autres formes d’énergie, notamment électrique, magnétique, chimique et nucléaire .

En thermodynamique, le concept d’énergie est élargi pour tenir compte des autres changements observés. La thermodynamique traite d’un autre type d’énergie appelé « énergie thermique » ou « énergie interne ». Les seules façons dont l’énergie d’un système fermé peut être modifiée sont le transfert d’énergie par le travail ou par la chaleur . De plus, sur la base des expériences de Joule et d’autres, un aspect fondamental du concept énergétique est que l’ énergie est conservée. Ce principe est connu comme le première principe de la thermodynamique . En général, l’énergie est un concept fondamental de la thermodynamique et l’un des aspects les plus importants de l’analyse technique.

Équivalence masse-énergie

L’un des résultats frappants de la théorie de la relativité d’Einstein est que la masse et l’énergie sont équivalentes et convertibles l’ une dans l’autre. L’équivalence de la masse et de l’énergie est décrite par la célèbre formule d’Einstein:

, où M est la petite quantité de masse et C est la vitesse de la lumière.

Qu’est-ce que cela signifie? Si l’énergie nucléaire est générée (division d’atomes, fusion nucléaire), une petite quantité de masse (économisée dans l’ énergie de liaison nucléaire ) se transforme en énergie pure (comme l’énergie cinétique, l’énergie thermique ou l’énergie rayonnante).

L’équivalent énergétique d’un gramme (1/1000 de kilogramme) de masse équivaut à:

• 89,9 térajoules
• 25,0 millions de kilowattheures (≈ 25 GW · h)
• 21,5 milliards de kilocalories (≈ 21 Tcal)
• 85,2 milliards de BTU

ou à l’énergie dégagée par la combustion des éléments suivants:

• 21,5 kilotonnes d’énergie équivalente au TNT (≈ 21 kt)
• 568 000 gallons américains d’essence automobile

Chaque fois que de l’énergie est générée, le processus peut être évalué du point de vue E = mc ² .

Principe de conservation de l’énergie

L’une des propriétés les plus merveilleuses de l’univers est que l’ énergie peut être transformée d’un type à un autre et transférée d’un objet à un autre . De plus, lorsqu’elle est transformée d’un type à un autre et transférée d’un objet à un autre, la quantité totale d’énergie est toujours la même . C’est l’une des propriétés élémentaires de l’univers.

En thermodynamique, le concept d’énergie est élargi pour tenir compte des autres changements observés, et le principe de conservation de l’énergie est étendu pour inclure une grande variété de façons dont les systèmes interagissent avec leur environnement. Les seules façons dont l’énergie d’un système fermé peut être modifiée sont le transfert d’énergie par le travail ou par la chaleur . De plus, sur la base des expériences de Joule et d’autres, un aspect fondamental du concept énergétique est que l’ énergie est conservée. Ce principe est connu comme  le première principe de la thermodynamique . La première loi de la thermodynamique peut s’écrire sous différentes formes:

Dans les mots:

Formulaire d’équation:

∆E _int = Q – W

où E _int représente l’ énergie interne du matériau, qui ne dépend que de l’ état du matériau (température, pression et volume). Q est la chaleur nette ajoutée au système et W est le travail net effectué par le système. Nous devons être prudents et cohérents en suivant les conventions de signe pour Q et W. Parce que W dans l’équation est le travail effectué par le système, alors si le travail est effectué sur le système, W sera négatif et E _int augmentera.

De même, Q est positif pour la chaleur ajoutée au système, donc si la chaleur quitte le système, Q est négative. Cela nous dit ce qui suit: L’ énergie interne d’un système a tendance à augmenter si la chaleur est absorbée par le système ou si un travail positif est effectué sur le système. Inversement, l’énergie interne a tendance à diminuer si la chaleur est perdue par le système ou si un travail négatif est effectué sur le système. Il faut ajouter que Q et W dépendent du chemin, tandis que E _int est indépendant du chemin.

Forme différentielle:

dE _int = dQ – dW

L’énergie interne E _int d’un système a tendance à augmenter si de l’énergie est ajoutée sous forme de chaleur Q et a tendance à diminuer si de l’énergie est perdue en tant que travail W effectué par le système.

Sources d’énergie

Les sources d’énergie ont toujours joué un rôle très important dans le développement de la société humaine. Depuis la révolution industrielle, l’énergie a été une force motrice pour le développement de la civilisation moderne. Le développement technologique et la consommation d’énergie primaire , ainsi que l’augmentation de la population mondiale sont interdépendants. Au cours des 20 dernières années, le monde qui nous entoure a considérablement changé. La technologie est devenue l’un des principaux moteurs du développement économique et social. Les progrès rapides des technologies de l’information (TI) partout dans le monde ont transformé non seulement notre façon de penser, mais aussi notre façon d’agir. Il faut noter que pratiquement toutes les technologies fonctionnent à l’énergie électrique et donc la part de l’électricité augmente rapidement, plus rapidement queApprovisionnement total en énergie primaire (TPES – la somme de la production et des importations soustrayant les exportations et les changements de stockage.).

À l’heure actuelle, les combustibles fossiles sont toujours la source d’énergie prédominante dans le monde et leur extraction, leur production et leur utilisation ne sont pas considérées comme efficaces quelles que soient les nouvelles technologies disponibles pour améliorer leur utilisation et leur extraction. Lors de l’étude des ressources énergétiques, nous devons distinguer les sources d’énergie primaires et les sources d’énergie secondaires .

Sources d’énergie primaire

L’énergie primaire (PE) est une ressource énergétique présente dans la nature qui n’a subi aucun processus de conversion ou de transformation. Il s’agit de l’énergie contenue dans les combustibles bruts et d’autres formes d’énergie reçues en entrée d’un système. Les sources d’énergie primaire prennent de nombreuses formes, notamment l’énergie nucléaire, les énergies fossiles – comme le pétrole, le charbon et le gaz naturel – et les sources renouvelables comme l’éolien, le solaire, la géothermie et l’hydroélectricité. Ces sources primaires peuvent être converties en source d’énergie secondaire, appelées vecteurs d’énergie . Les sources d’énergie primaire peuvent être divisées en:

• Sources non renouvelables
  • Combustibles fossiles
    • Pétrole
    • Charbon
    • Gaz naturel
  • Combustibles minéraux
    • Uranium naturel
    • Thorium naturel
• De sources renouvelables
  • Énergie solaire
  • L’énergie éolienne
  • Énergie hydraulique et marémotrice
  • L’énergie géothermique
  • Énergie de biomasse (si exploitée de manière durable)

Sources d’énergie secondaires – Transporteurs d’énergie

Les sources d’énergie secondaire , également appelées vecteurs d’énergie , sont issues de la transformation des sources d’énergie primaire. Ils sont appelés porteurs d’énergie, car ils déplacent l’énergie sous une forme utilisable d’un endroit à un autre. Les vecteurs d’énergie bien connus sont:

• Électricité
• Essence
• Hydrogène

Électricité et hydrogène provenant de sources d’énergie primaire telles que le charbon, le gaz naturel, l’énergie nucléaire, le pétrole et les sources d’énergie renouvelables. L’électricité est particulièrement utile car elle a une faible entropie (est très ordonnée) et peut être convertie en d’autres formes d’énergie très efficacement. Simplement, nous ne pouvons pas dire que l’hydrogène a le potentiel de compenser les combustibles fossiles.

Des sources d’énergie secondaires sont utilisées, car son utilisation est plus facile que l’utilisation d’une source d’énergie primaire. Par exemple, l’utilisation de l’électricité pour l’éclairage est plus sûre que l’utilisation de pétrole dans des bougies ou des lampes à pétrole.

D’un autre côté, toute conversion d’énergie primaire en vecteur d’énergie est associée à une certaine inefficacité. Par conséquent, lorsqu’il s’agit d’une source d’énergie secondaire, nous devons toujours considérer la façon dont le porteur a été fabriqué.