Montage n° 14 Expériences portant sur la conservation de l`énergie

Montage n° 14
Expériences portant sur la conservation de l'énergie mécanique dans
quelques cas simples.
Introduction
En mécanique, il existe 2 formes d’énergie :
L’énergie cinétique qui est l’énergie du mouvement : définie par un terme de translation et un
terme de rotation : Ec = ½ mv2 + ½ Jω2
L’énergie potentielle : 2 types :
• de pesanteur : un corps de masse m, lâché d'une certaine hauteur, perd, lors de sa
chute, de l'énergie potentielle et acquiert de l'énergie cinétique. Epp=mgz + cst
• élastique (cas du ressort) : Epe= ½ kx2
On définit l’énergie mécanique comme étant la somme de l’énergie cinétique et de l’énergie
potentielle. Em=Ec+Ep
le physicien Hermann von Helmholtz a énoncé pour la première fois, vers 1850, le principe
fondamental de conservation de l'énergie : l'énergie mécanique totale E d'un système isolé (non
soumis à une force extérieure, tel le pendule si l'on néglige la résistance de l'air) se conserve au
cours d'une transformation purement mécanique: Em=Ec+Ep=constante.
Un exemple permet de saisir l'aspect idéal de ce principe: une bille d'acier qui tombe sur une
surface parfaitement dure, polie et indéformable rebondit toujours jusqu'à la même hauteur, et
acquiert un mouvement qui se répète indéfiniment; ce mouvement est produit initialement par
l'action de porter la bille à une certaine hauteur au‑dessus de la surface. Bien entendu, à cause
de la résistance de l'air et du frottement de la bille sur le sol, le mouvement du système non
isolé finit par s'amortir.
Il y a donc non conservation de l’énergie mécanique, dès qu’il y a frottements.
Nous allons illustrer, dans ce montage, la conservation de l’énergie mécanique dans quelques
cas simples.
I.
Mouvement élastique
Banc magnum. Description du banc.
II.1. Détermination de k
Equation du mouvement :
0
On mesure k à partir de la période des oscillations (avec le réticule, on mesure nT0).
Rq : pour utiliser le logiciel magnum, il faut d’abord lancer Régressi, puis Magnum.
Attention : pbl sur la vitesse avec Régressi (dû à la base de temps)
II.2. Etude énergétique
Il faut peser mobile + réglette.
Epe= ½ kx2
Ec = ½ mv2 avec v=diff(X,t)
Em=Ec+Epe=½ m(v2 + ω02 x2)
on peut enlever la constant ½ m des calculs, ce qui
limite les incertitudes.
Conservation de Em car il n’y a pas de frottement (principe du banc sur coussin d’air :
système pseudo-isolé)
Etude théorique :
x=Acosω0t =ω0 Asinω0t
v2= 2
Em= ½ kx2 + ½ mv2=½ k A2cos2ω0t + ½ mω02A2sin2ω0t = ½ k A2 = cst si A=cst
II.
(car ω02=k/m)
Mouvement de chute
II.1. Chute libre
Avec dispositif bille/aimant + 2 capteurs.
Chrono Pierron en position C1/C2 qui permet
interrupteur
de calculer le temps mis par la bille pour
parcourir la distance entre les 2 capteurs.
aimant
v0=0 Ec0=0
Eppi=mghi=Emi
on mesure vf à l’aide des capteurs très
+
proches. On impose Eppf=0 Ecf=Emf= ½ m
2
Alim
vf
On peut faire des mesure en modifiant la
hauteur initiale de chute. D’où des couples de points vf et hi. On trace Ec=f(Epp) pour ces
couples. On devrait avoir une droite de pente 1 : conservation de l’énergie mécanique.
II.1. Rebond
Webcam, projecteur, rideau noir, balle de golf. Besoin d’aide pour lancer la balle.
Acquisition : Vidéoimpression
Exploitation : synchronie
1. Définir une origine (=point au sol pour éliminer la constante dans la formule de Epp)
2. Etalonnage avec la règle de 1m
3. Pointer image par image le centre de la balle (un peu déformée à cause du temps
d’obturation)
4. Sous synchronie, tracer y=f(x) (attention au T de synchronie qui n’est pas le bon.
Prendre Timage à la place)
5. Terme de correction en x et
y car on n’est pas dans le
Plan de
plan de l’étalon (Thalès :
l’étalon
x2=0,87x)
terme correctif=3/(3+d)=0,87
3m
Plan de
la balle
d
6. Mballe = 46g. On fait les
calculs sous Synchronie : v2=vx2+vy2
Ep=mgy
Ec= ½ m v2
Em=Ec+Ep
On trace Ep, Ec et Em. Identifier les rebonds. On perd Em à chaque rebond car le
choc n’est pas parfaitement élastique.
III.
Mouvement oscillatoire Sur
table à digitaliser [1] [3 p.303] ou
solide en rotation autour d’un
axe fixe
Ec = ½ mv2+ ½ Jω2 =½ m(R)2+ ½ J()2
On fait 2 manipulation avec 2 J
différents. Il y a répartition différente de
l’énergie entre Erot et Etrans.
θ =2πn
On fixe n (1 ou 2 tours) – mesure de t au
chrono.
T’
T
P
d (mm)
t(s)
(rad.s-1)
Ec
Conclusion
Pour qu’il y ait conservation de l’énergie mécanique, il faut que toutes les forces qui
agissent sur le système soient conservatives (non conservative = chocs, frottement…)
BIBLIO
•
•
•
•
•
[1] Bellier Dunod Ch 9 p166
[2] Duffait pas de chap spécifique à la cons de Em…
BUP n°
[3] Quaranta rotation autour d’un axe p. 375
conservation de l’énergie méca p. 118 (pas d’exp intéressantes)
[4] livres 1S et TS (bon historique sur l’énergie – à revoir p.298)
QUESTIONS
1. Ec = ½ mv + ½ Jω
ω ne pas oublier le terme de rotation (pour les solides uniquement, pas en
mécanique du point)
2. Qu’est-ce qu’une force conservative ? c’est une force qui dérive d’un potentiel. Exemple de forces non conservatives : frottements et forces de contact
3. Pas de constante pour Epe ? si
4. On peut négliger les frottement sur les 1ères oscillations.
5. On n’a jamais conservation parfaite de l’énergie méca, mais on s’en approche.
2
2
PHYS. Force (associée à un mouvement) représentant une capacité à effectuer un travail. Énergie mécanique
(cinétique ou potentielle) L'énergie cinétique est liée au mouvement:
E = ½ mv2 .si un corps de masse m tourne à la vitesse angulaire ω, E = ½ Iω2 où I est le moment d'inertie du
corps par rapport à l'axe de rotation.Lénergie potentielle est due à l'interaction d'un corps avec un champ:dans le
champ de gravitation terrestre, l'énergie potentielle d'un corps de masse m, situé à une hauteur h par rapport au
sol est E = mgh; où g est la constante d'accélération terrestre.
Historique
À l'origine, la notion d'énergie était liée à celle de force agissante capable de modifier un état préexistant — la
force qui permet de déplacer un poids vers le haut, de bander un arc, de tirer une charrue. Elle ne pouvait provenir
que du muscle humain ou animal. Les peuples de la mer furent les premiers à utiliser l'énergie du vent pour
mouvoir les navires et, plus tard, les ailes des moulins à vent. Puis, l'homme découvrit la force de l'eau des rivières
pour faire fonctionner les moulins à eau. Ce furent là ses principales sources d'énergie motrice jusqu'à la fin du
XVIIIe s. Parallèlement, l'homme utilisait le feu et le bois pour se chauffer, travailler les métaux, etc., sans se
rendre compte qu'il s'agissait là aussi d'énergie. Ce n'est qu'au début du XVIIIe s., avec l'apparition de la machine
à vapeur, qu'on découvrit expérimentalement (Joule le prouvera 150 ans plus tard) que la chaleur peut produire de
la force motrice, dans des quantités plus abondantes et à des coûts moindres que le muscle, le vent ou les chutes
d'eau, et cela, malgré les faibles rendements (moins de 10 %) de la conversion. Pendant la plus grande partie du
XVIIIe s., où les principales machines étaient les pompes des mines, le bois resta très utilisé et la houille ne fut
employée que dans les régions où elle était particulièrement accessible. Cependant, vers la fin du siècle, le
nombre croissant des machines à vapeur et le développement des industries métallurgiques mirent en évidence le
rôle économique essentiel de la houille dont la disponibilité conditionna, pour une grande part, l'essor industriel
(décuplement de la production de houille de 1850 à 1900).
L'électricité d'origine thermique commença à jouer un rôle considérable à partir de 1875 avec l'invention de la
dynamo, des moteurs industriels et de l'éclairage. La découverte du transformateur électrique (1881), qui élargit
considérablement le rayon de distribution (lignes à haute tension), et celle de la turbine à vapeur, supérieure à la
machine alternative pour la production d'électricité, ne firent que renforcer la demande en charbon, qui devint de
plus en plus difficile à satisfaire. Deux autres formes d'énergie arrivèrent alors en renfort: le pétrole et
l'hydroélectricité. Le pétrole, presque exclusivement nord américain à l'origine (1860), dabord utilisé
principalement pour l'éclairage, étendit peu à peu son champ d'applications. Devenu, à partir de 1880, l'égal du
charbon pour nombre d'applications industrielles et thermiques, il prit, avec l'avènement du moteur à explosion et
de l'automobile, sa place de carburant par excellence, facile à stocker, à distribuer, à utiliser. À partir de 1900, son
importance n'échappa à personne et il devint l'objet d'une prospection intense à l'échelle mondiale, accompagnée
d'efforts politiques pour en contrôler la production.
L'hydroélectricité, née vers la fin du XIXe s., fut favorisée par la diminution de l'offre en charbon et l'apparition, vers
1895, des turbines hydrauliques qui s'avéraient un excellent moyen d'entraînement des génératrices électriques,
mais désavantagée par l'importance des investissements requis pour la construction des barrages et par le nombre
limité de sites exploitables. La houille, le pétrole (auquel s'ajoutera son dérivé, le gaz naturel, après 1945) et
l'hydroélectricité resteront les trois piliers du développement industriel jusqu'en 1960, d'où leur appellation
d'énergies conventionnelles.
Si les possibilités d'exploitation de l'énergie nucléaire de fission à des fins civiles sont entrevues à partir de 1940,
les premières exploitations industrielles semi expérimentales ne firent leur apparition que quinze ans plus tard,
prouvant l'intérêt que lui portaient déjà les gouvernements des pays industrialisés, intérêt qui ira en se renforçant
avec l'accroissement de la dépendance énergétique vis à vis du pétrole. L'énergie nucléaire, calorifique à
l'origine et permettant de fournir de la vapeur très chaude, est surtout utilisée pour la production d'électricité et, très
accessoirement, pour le chauffage urbain. Ses applications aux moteurs sont limitées aux sous marins et aux
bateaux en raison des lourds blindages nécessaires. Les progrès de la technologie des centrales nucléaires en
font aujourdhui une énergie moins chère que celle des combustibles fossiles et assez abondante (compte tenu
des réserves terrestres en uranium et en thorium) pour couvrir les besoins prévisibles mondiaux pendant quelques
siècles, pour autant qu'on utilise pour la produire les surrégénérateurs, environ 60 fois plus rentables que les
réacteurs de la première génération (à eau pressurisée ou à uranium naturel).
L'humanité semble maintenant être sur le point de disposer, avec l'énergie de fusion thermonucléaire, d'une source
virtuellement inépuisable d'énergie, fondée sur une réaction identique à celle qui se produit dans le Soleil. Les
travaux théoriques en démontrent la plausibilité; toutefois, il apparaît que, malgré certaines expérimentations
encourageantes, la maîtrise des très hautes températures nécessaires demandera encore des décennies.
Depuis 1973, date à laquelle le prix du pétrole est passé arbitrairement du simple au triple, les États dont
l'économie dépend largement de cette ressource se sont préoccupés de trouver à court ou à moyen terme des
énergies de substitution, d'où un regain d'intérêt pour certaines formes d'énergie chères, mais dont l'exploitation
est susceptible de réduire la dépendance vis à vis des combustibles fossiles: énergies solaire, géothermique,
thermique des océans, des végétaux, du vent, etc. D'une façon générale, elles peuvent jouer un rôle non
négligeable d'appoint.
Nature de l'énergie L'énergie permet de mettre en mouvement, d'arrêter ou de soulever un objet. Équivalent de la
chaleur et de la masse en mouvement, l'énergie peut prendre de multiples formes (chimique, électrique, nucléaire,
etc.), toutes transformables les unes dans les autres selon certaines lois et avec des rendements plus ou moins
élevés; certaines sont stockables. L'énergie ne peut donc être que transformée; on ne peut ni la créer, ni la faire
disparaître; en revanche, elle peut se dégrader au cours de ses transformations successive.
Origines de l'énergie En l'état actuel des connaissances et des progrès techniques, elles sont au nombre de
quatre, toutes liées à la vie du cosmos et au phénomène auquel l'Univers semble devoir son mouvement, la
transformation de masse en énergie. Il s'agit de la fusion thermonucléaire responsable du rayonnement solaire, de
la chaleur terrestre initiale, de la présence de matériaux radioactifs au sein de la Terre et de l'énergie cinétique des
astres (à laquelle est dû le phénomène des marées).
a) Le rayonnement solaire, phénomène résultant de la fusion thermonucléaire, fournit la plus grande partie de
l'énergie sur Terre; il se manifeste sous forme de lumière ou sous forme de chaleur. Dans le premier cas, il permet
la photosynthèse des végétaux; la lumière solaire est donc responsable, en fin de processus, de la constitution de
nos réserves d'énergie directement exploitables (énergie musculaire, énergies fossiles). Dans le second cas, sous
forme thermique, la chaleur provenant du Soleil est à l'origine de l'énergie hydraulique (évaporation), de l'énergie
éolienne (échauffement différentiel des masses d'air), de l'énergie thermique des océans (échauffement des eaux);
de plus, elle contribue à maintenir la planète à température constante.
b) Les matériaux fissiles et fertiles extraits de la Terre (uranium et thorium) constituent une source potentielle
d'énergie (nucléaire) relativement bon marché, dont les réserves (en équivalent calorifique) sont du même ordre de
grandeur que celles de la houille.
c) L'énergie thermique du centre de la Terre (énergie géothermique) est peu exploitée, mais représente un
potentiel virtuellement inépuisable.
d) L'énergie cinétique de la Terre et de la Lune est à l'origine des marées qui sont susceptibles de fournir une
énergie abondante (énergie marémotrice), à condition de trouver des moyens rentables d'exploitation.
L'énergie, moteur du monde, se manifeste partout: dans les phénomènes célestes (mécanique des planètes,
rayonnement du Soleil) comme dans le corps humain (énergie musculaire), dans les organismes végétaux
(photosynthèse) comme dans les produits de la technologie (trains, fusées, bombes), dans l'infiniment petit
(particules de haute énergie) comme dans l'infiniment grand (explosion des supernovae). Omniprésente, l'énergie
n'est pourtant concrètement nulle part, car son existence n'est décelable que par ses effets. Selon un des grands
principes qui régissent l'Univers, elle se conserve intégralement tout en se transformant en une infinie variété de
formes.
Le terme «énergie» recouvre un très grand nombre de significations. Un corps doué d'énergie est, selon
l'étymologie du mot, un corps susceptible de fournir du travail, du mouvement. Il faut attendre l'invention de la
machine à vapeur par Thomas Newcomen, en 1705, et son interprétation physique un siècle plus tard, pour que
soit compris que travail mécanique et chaleur sont deux formes de l'énergie, avant d'en découvrir bien d'autres
(énergie électrique, rayonnante, nucléaire, etc.).
L'énergie mécanique
Sous l'appellation d'énergie mécanique, on considère en fait deux types d'énergies: l'énergie cinétique et l'énergie
potentielle. Elles sont unies par une relation fondamentale, et sont, par conséquent, dépendantes l'une de l'autre.
L'énergie cinétique
On distingue deux formes d'énergie de mouvement: l'énergie de translation, capable de produire le mouvement
d'un corps d'un point à un autre en ligne droite, et l'énergie de rotation, capable de produire un mouvement
circulaire. Pour imprimer un mouvement de translation à une charrette, il faut la pousser ou la tirer. Pour provoquer
la rotation de la roue d'un moulin, il faut la force d'un torrent, ou bien celle du vent. Très tôt, les hommes se sont
préoccupés de créer des systèmes pour capter et transformer ces actions disponibles, d'où l'invention des
premières machines simples: leviers – qui transforment une énergie de rotation autour d'un point fixe en une
énergie de translation –, poulies, treuils, qui obéissent aux mêmes mécanismes. Sans le savoir, les hommes
utilisaient les premiers convertisseurs d'énergie mécanique. Jusqu'à la Renaissance, les ingénieurs se sont
intéressés aux mécanismes d'engrenages (montres, horloges, etc.) et aux procédés de levage. De nos jours, l'une
des applications les plus répandues de l'énergie de mouvement est celle du moteur d'automobile, qui transforme
un mouvement de translation en mouvement circulaire grâce à l'assemblage piston bielle vilebrequin.
Les premières théories de l'énergie de mouvement sont liées aux développements de la mécanique. Le mot
«énergie» en tant que terme scientifique n'est utilisé qu'en 1807 par Thomas Young; on parlait auparavant des
«forces vives». Cette énergie de mouvement s'étend aujourdhui à tous les phénomènes observables tant à
l'échelle terrestre qu'à celle de l'Univers – les étoiles se déplacent, les galaxies tournent sur elles-mêmes – ou
dans l'infiniment petit – les particules élémentaires, protons ou électrons, se déplacent suivant les mêmes modes.
Pour quantifier cette énergie, les physiciens ont montré que l'énergie cinétique Ec d'un point matériel de masse m
est égale au travail produit au cours d'un déplacement élémentaire de longueur l, soit: dEc = FX . δlX, où FX
est la force exercée sur ce point, et δlX le vecteur déplacement élémentaire. La relation fondamentale de la
dynamique enseignant que FX = m . dvX/dt, il en ressort que: dEc = mdvX . δlX/dt. En intégrant les deux
membres de cette égalité entre deux points M1 et M2 du déplacement, de vitesses v1 et v2, on obtient la variation
d'énergie cinétique entre ces deux points:
DEc = Ec2 − Ec1 = 1/2 mv22 − 1/2 mv12.
Il est convenu de désigner l'énergie cinétique en un point quelconque de la trajectoire du point matériel par la
grandeur Ec = 1/ 2 mv2. On peut généraliser cette définition aux corps en rotation par rapport à un axe ou à un
point; leur énergie cinétique s'exprime alors sous la forme: Ec = 1/ 2 Jω2, où ω est la vitesse angulaire et J le
moment d'inertie du corps par rapport à l'axe ou au centre de rotation.
L'énergie potentielle de pesanteur
Dans le célèbre mythe de Sisyphe, ce dernier est condamné à pousser éternellement sur la pente d'une montagne
un énorme rocher qui, toujours, retombe avant d'atteindre le sommet. Lorsque Sisyphe pousse le bloc, il lui
communique, grâce à son énergie musculaire, une vitesse, et donc une énergie cinétique de rotation et de
translation; lorsque le rocher lui échappe et roule en sens inverse, il se manifeste une variation d'énergie cinétique,
sans que Sisyphe ait à intervenir: attiré par la Terre, il délivre donc une énergie, que lui avait antérieurement
communiquée Sisyphe. Le fait que le rocher roule d'un point haut vers un point bas prouve qu'il possédait au point
le plus haut une énergie de réserve qui s'est manifestée lors du mouvement vers le bas; celle-ci est appelée
énergie potentielle. On remarque qu'elle est due à la position de la masse rocheuse dans l'espace.
L'énergie potentielle est elle aussi mesurable. Ainsi, un corps de masse m, lâché d'une certaine hauteur, perd, lors
de sa chute, de l'énergie potentielle et acquiert de l'énergie cinétique, laquelle produira un choc au sol. Le travail
effectué par le corps, du point d'altitude z1 d'où il a été lancé jusqu'à un point d'altitude z2, est égal à la diminution
d'énergie potentielle:
W = mgz1 −mgz2 = E1 − E2.
On convient que l'énergie potentielle, définie à une constante près, est égale à Ep = mgz (z étant l'altitude). La
connaissance de cette énergie est particulièrement importante lors du lancement des satellites: il faut
communiquer au lanceur une énergie cinétique suffisante pour qu'il gagne une altitude où la pesanteur influera
moins, ce qui permettra la mise sur orbite du satellite.
Coexistence des deux formes d'énergie Un pendule pesant est un corps solide, mobile autour d'un axe ne passant
pas par son centre de gravité. Si on écarte un tel système de sa position d'équilibre stable, on observe des
oscillations. Le fait d'écarter le pendule d'une certaine amplitude lui communique, en premier lieu, une énergie
potentielle qui permet au centre de gravité d'atteindre une certaine altitude z, supérieure à celle de son point
d'équilibre; dès qu'on lâche le pendule, il effectue un mouvement circulaire en sens inverse, jusqu'à sa position
d'équilibre: il «dépense», en quelque sorte, l'énergie potentielle antérieurement communiquée; comme il arrive à la
position d'équilibre avec une certaine vitesse, l'énergie cinétique acquise lui permet d'effectuer un mouvement de
l'autre côté de ce point d'équilibre, d'atteindre de nouveau l'altitude z, et ainsi de suite. Il y a donc échange entre
ces deux formes de l'énergie mécanique que sont l'énergie cinétique et l'énergie potentielle. En réalité, le pendule
finit par s'arrêter: son mouvement s'amortit jusqu'à disparaître à cause des forces de frottement provoquées par
son mouvement autour de l'axe de rotation. Cependant, dans un premier temps, on imagine un pendule sans
frottement, situation idéale, non conforme à la réalité observable, mais qui a permis de modéliser la théorie de la
mécanique et de faire de grands progrès.
D'autres exemples d'énergies potentielle et cinétique peuvent être cités: les poids d'une horloge que l'on remonte,
auxquels on communique donc un accroissement d'énergie potentielle, ce qui permet au balancier d'osciller et
d'entraîner les mécanismes internes actionnant les aiguilles; les chutes d'eau domestiquées, dont l'énergie
potentielle est utilisée pour produire de l'électricité et dont l'énergie cinétique actionne les turbines des centrales
hydroélectriques des barrages de montagne (le renouvellement des réserves est assuré par le cycle de l'eau); le
lancement des satellites, qui requiert une fusée porteuse équipée de tuyères dont le fonctionnement (à partir
d'énergie chimique) exerce une poussée sur le sol, ce qui accroît son énergie potentielle au profit d'une énergie
cinétique de lancement; l'obus s'élevant dans l'air, poussé par la force explosive, qui atteint une énergie potentielle
maximale et retombe donc avec une énergie cinétique maximale. En réalité, on peut obtenir de l'énergie cinétique
grâce à d'autres formes d'énergie. Ainsi, la combustion de la poudre a supplanté, au Moyen Âge, les ressorts de
catapultes antiques. Dans tous les cas, il y a transformation d'énergie cinétique en énergie potentielle, d'énergie de
translation en énergie de rotation, et réciproquement.
Principe de conservation de l'énergie mécanique En reprenant l'exemple du pendule pesant, on observe, dans
le cas idéal, un mouvement oscillatoire, périodique et indéfini, d'une certaine amplitude; l'énergie cinétique se
transforme en énergie potentielle, et réciproquement, à chaque passage au point d'équilibre, puis aux deux points
d'amplitude maximale. La somme de ces deux énergies, constante au cours du temps, est appelée énergie
mécanique totale ou énergie mécanique.
Par «transformation purement mécanique», on considère une transformation qui se réduit exclusivement à un
changement de vitesse et de positions relatives des diverses parties du système observé, tout phénomène de
frottement à l'intérieur du système étant exclu. En ce cas, la propriété de l'énergie mécanique s'exprime ainsi:
l'énergie mécanique totale E d'un système isolé (non soumis à une force extérieure, tel le pendule si l'on néglige la
résistance
de
l'air)
se
conserve
au
cours
d'une
transformation
purement
mécanique:
E = Ec + Ep = constante.
C'est sous cette forme que fut exprimé pour la première fois le principe fondamental de conservation de l'énergie,
énoncé vers 1850, par le physicien Hermann von Helmholtz.
Un exemple permet de saisir l'aspect idéal de ce principe: une bille d'acier qui tombe sur une surface parfaitement
dure, polie et indéformable rebondit toujours jusqu'à la même hauteur, et acquiert un mouvement qui se répète
indéfiniment; ce mouvement est produit initialement par l'action de porter la bille à une certaine hauteur au dessus
de la surface. Bien entendu, à cause de la résistance de l'air et du frottement de la bille sur le sol, le mouvement du
système non isolé finit par s'amortir.
Les frottements L'exemple du pendule a montré que l'existence de forces de frottement implique l'immobilisation
de celui-ci au bout d'un certain temps. Ce frottement apparaît dès qu'il y a contact entre deux matières, en
l'occurrence, et entre autres, celle du fil du pendule et celle de son axe.
Une surface rugueuse doit être opposée à une surface lisse. C'est la rugosité des chaussures qui permet de se
déplacer sur le sol sans glisser comme sur une patinoire, alors qu'un patin est, au contraire, conçu pour réduire le
plus possible les frottements. De même, sans frottement, la roue n'existerait pas: le verglas sur la chaussée permet
d'imaginer les inconvénients d'un monde sans frottement!
On annonce régulièrement la retombée sur Terre d'un satellite lancé plusieurs années auparavant, ce qui n'est pas
sans provoquer quelque émoi car le point d'impact est difficilement calculable. Que s'est-il passé? Insensiblement,
à chaque orbite, le satellite a été soumis à des forces de frottement, et sa trajectoire a été modifiée jusqu'à ce qu'il
subisse l'attraction terrestre. Du reste, le satellite, lors de sa rentrée dans l'atmosphère, peut, comme les
météorites, s'enflammer à cause des frottements de l'air et se consumer. Ce phénomène, comme d'autres plus
quotidiens: la main glissant et frottant sur la rampe d'un escalier ou la perceuse produisant fumée et étincelles au
contact du métal, montre que les frottements produisent de la chaleur. Dans l'exemple du pendule, le frottement
sur l'axe (et aussi avec l'air) produit une non conservation de l'énergie mécanique; mais la perte d'énergie est
aussi une énergie, due au frottement: 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 XIXe siècle, 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.
La découverte d'autres formes d'énergie L'énergie mécanique produit donc de la chaleur et réciproquement: la
machine à vapeur de Newcomen «fabriquait» du mouvement grâce à l'échauffement de l'eau qui s'évaporait. Au
cours du XIXe siècle, une série de découvertes vont introduire d'autres formes d'énergie, toujours obtenues à partir
de transformations ou conversions d'une forme en une autre.
L'électricité
Depuis l'Antiquité, les hommes connaissent certains effets de l'énergie électrostatique; ainsi, l'ambre frotté (le
terme grec désignant l'ambre est êlektron) attire les corps légers. Au XVIIe siècle, Du Fay remarque que l'électricité
«vitreuse» (verre frotté) et l'électricité «résineuse» (peau de chat frottée sur de la résine), deux «fluides» différents,
sont de sens contraires; cela devait conduire à la découverte de charges positives et négatives: deux charges de
même signe se repoussent, deux charges de signe contraire s'attirent. Cette énergie électrostatique peut donc
engendrer de l'énergie mécanique. Ainsi est lancée la mode de l'électricité: la production d'étincelles fait alors
fureur.
Luigi Galvani, passionné par les poissons électriques comme la torpille et le gymnote, étudie en 1780 l'électricité
animale. Il découvre, sans l'avoir cherché, le principe de la pile électrique: ayant mis en contact, par hasard, un
crochet de cuivre qui soutient le muscle d'une grenouille précédemment électrisée et un objet en fer, il observe une
secousse dans les pattes. Il croit dabord que les muscles de la grenouille stockent de l'électricité animale; mais
Alessandro Volta, en 1795, formule l'hypothèse que seul le contact entre le cuivre du crochet et le fer est
responsable de la production d'électricité. Cinq ans plus tard, il imagine donc d'alterner des rondelles de cuivre et
des rondelles de zinc, séparées par des rondelles de draps imprégnés de solution saline, et produit ainsi du
courant continu: la première pile est née, et on découvre alors la possibilité de transformer de l'énergie chimique en
énergie électrique. Dès la diffusion de la pile Volta, bientôt perfectionnée, on s'intéresse à la transformation
inverse, celle de l'énergie électrique en énergie chimique.
En 1803, Humphry Davy interprète l'électrolyse de l'eau, découverte par Carlisle et Nicholson trois ans plus tôt.
Ceux-ci, après avoir plongé deux fils métalliques dans de l'eau traversée par un courant, ont vu se former de
l'hydrogène au pôle positif et de l'oxygène, en volume deux fois plus important, au pôle négatif: l'électrolyse est
alors comprise comme la décomposition d'une substance par le passage d'un courant électrique, comme la
dissociation de molécules en fragments électrisés ou en atomes. C'est la preuve que les interactions entre atomes
sont de nature électrique. Le courant électrique est donc interprété comme un flux de particules élémentaires
chargées: les électrons. La découverte de l'électrolyse se révélera capitale pour l'industrie chimique: elle permettra,
entre autres, l'obtention de sodium et de potassium, et la séparation des minerais.
La lumière
Davy découvre en 1813 une autre transformation de l'électricité, mise en œuvre dans l'arc électrique: lors du
passage d'un courant électrique entre deux baguettes de charbon, celles-ci brûlent, et une forte lumière rayonne
dans l'espace qui les sépare. Inventée en 1843, puis commercialisée par Edison, la lampe à incandescence
utilisera le seul passage d'un courant dans un filament métallique.
La lumière fut longtemps l'objet de vives controverses en optique (est-elle grain de matière ou rayonnement
d'ondes pur?). La démonstration de sa nature énergétique intervint grâce à l'invention de la photographie:
l'ingénieur Nicéphore Niépce fixe, au début du XIXe siècle, à l'aide d'essence de lavande, les images dessinées
par le soleil sur un écran imprégné de bitume de Judée; l'impression des plaques photographiques est réalisée dès
la fin de ce siècle. On vient ainsi de découvrir la transformation de l'énergie lumineuse en énergie chimique.
Le magnétisme
Les aimants étaient connus dès l'Antiquité (le mot grec magnês signifie «pierre de la région de Magnésie»), mais
leurs propriétés d'attraction répulsion semblaient n'avoir aucun rapport avec l'électricité statique: l'aimantation du
fer par la foudre n'a été découverte qu'à la fin du XVIIIe siècle. En 1819, Hans Christian Œrsted observe qu'une
aiguille aimantée, mobile sur un pivot, placée sous un fil électrique et parallèlement à celui-ci, quitte la direction du
méridien magnétique qu'elle prend normalement pour s'orienter perpendiculairement au fil lorsque ce dernier est
parcouru par un courant. Œrsted découvre ainsi l'effet magnétique de l'électricité, avec, comme conséquence, la
production d'un mouvement: la transformation de l'énergie électrique en énergie magnétique puis en énergie
mécanique est mise en évidence.
L'effet Joule
Chronologie (1841)
Le physicien James Prescott Joule poursuit l'étude du magnétisme et de l'électricité commencée par Œrsted et
invente un moteur électrique. Il évalue aussi la chaleur produite par le passage d'un courant électrique dans un fil
conducteur et, en 1841, énonce la loi qui porte son nom: la quantité de chaleur produite est proportionnelle à la
résistance du fil et au carré de l'intensité du courant. Par ailleurs, il cherchera à quantifier la chaleur due aux
frottements produits par un mouvement. Grâce à une roue à ailettes frottant dans de l'eau, de l'huile et du mercure,
il mesure le rapport entre chaleur et énergie mécanique (travail) et découvre une constante, la calorie, égale à
4186 J.
L'effet Seebeck
En 1821, le médecin Thomas Seebeck découvre une autre façon de produire de l'électricité qu'au moyen d'une pile
Volta. Plaçant l'un sur l'autre un disque d'antimoine et un disque de cuivre, il presse à la main un fil de cuivre relié à
un galvanomètre, qui indique alors le passage d'un courant. Il comprend que l'échauffement des deux métaux par
le contact de la main distribue une différence de température, laquelle provoque cette électricité: c'est la
découverte de la thermoélectricité; un courant électrique (très faible) se manifeste dans un circuit dont les deux
soudures se trouvent à des températures différentes. On fabrique alors les premières piles thermoélectriques.
L'effet Peltier
Jean Peltier publie, en 1834, ses observations sur la singularité de températures mesurées au voisinage de deux
conducteurs reliés et traversés par un courant. Apparemment, de telles observations contredisent l'effet Joule. En
effet, le changement de sens du courant électrique provoque une inversion des températures. L'explication
théorique ne sera donnée de façon complète qu'en 1860 par Thomson. Cette découverte, qui illustre la
transformation de l'énergie thermique en énergie électrique, ne sera exploitée qu'après la découverte des
semi conducteurs: elle permettra de mettre au point des éléments de systèmes de réfrigération de faible
puissance.
Principe de conservation de l'énergie
Si l'énergie chimique peut être transformée en énergie électrique, et donc en énergie mécanique, laquelle à son
tour peut être transformée, la définition «historique» de l'énergie devient trop restrictive. De «toute forme pouvant
produire une énergie de mouvement», il faut l'étendre à «toute forme équivalente, par des transformations
théoriques, à l'énergie mécanique».
L'ampleur des cas particuliers incite les physiciens du XIXe siècle à s'interroger sur le lien profond unissant toutes
ces formes. C'est le mérite de Helmholtz d'avoir considéré que, puisque chaleur, énergies chimique, mécanique ou
électrique se transforment les unes en les autres, il y a là un «quelque chose» qui reste constant, malgré les
formes diverses qu'il prend, tel le dieu Protée; ce «quelque chose», en fin de compte, est l'énergie.
L'Univers recèlerait donc une énorme quantité d'énergie constante, laquelle se manifesterait sous les formes les
plus diverses. En énonçant le principe de la conservation de l'énergie, Helmholtz fonde l'énergétique et établit, le
premier, la distinction entre énergie mécanique et énergie potentielle. Ce principe est toujours postulé en physique,
même par Einstein, qui pour y satisfaire avait introduit une nouvelle particule, le neutrino, difficilement repérable
car non chargée.
Les trois formes fondamentales Les concepts physiques théoriques actuels offrent le grand avantage de réduire
toutes les formes d'énergie à trois formes essentielles, directement reliées aux trois interactions fondamentales qui
régissent l'Univers: la gravitation universelle, l'électromagnétisme et les interactions intra atomiques (interactions
forte et faible). Les formes d'énergie sont toutes réductibles à ces trois formes fondamentales, ou couplées entre
elles, notamment les deux premières (les interactions gravitationnelle et électromagnétique), du fait de l'intensité
de l'énergie nucléaire.
La gravitation
Il s'agit, sur Terre, du champ de pesanteur. Il se manifeste en tant qu'énergie potentielle et, par conséquent,
comme de l'énergie mécanique, toute forme d'énergie mettant en jeu la masse des corps.
L'électromagnétisme
Dépendent de cette interaction l'énergie électrique et l'énergie magnétique, mais aussi l'énergie de rayonnement
(de la lumière visible aux rayons X et aux rayonnements radioactifs) ainsi que l'énergie chimique.
L'interaction intra atomique
Connaissant les forces électriques répulsives mises en jeu, à l'intérieur de l'atome, par les protons ou les électrons,
comment comprendre qu'elles ne fassent pas éclater la structure atomique? C'est ce dont rend compte l'interaction
forte attractive: indépendante des charges électriques, elle est très intense, à l'échelle du noyau, sur de très faibles
distances. Une interaction faible, plus subtile, découverte en 1934, intervient aussi dans une moindre mesure. Les
énormes progrès réalisés au cours du XXe siècle en physique nucléaire ont conduit à la découverte d'une nouvelle
forme d'énergie, l'énergie nucléaire, aux potentialités considérables.
Trois physiques À ce stade, il convient de distinguer trois physiques, dont les champs d'application sont très
différents.
La physique macroscopique
Elle recouvre la physique pratiquée à l'échelle «humaine», pour laquelle la masse et le rayonnement
électromagnétique sont des entités absolues, qui produisent leurs effets de façon indépendante.
La physique quantique
Elle concerne l'échelle microscopique intra atomique et même intranucléaire. À chaque particule est associée une
onde de particule, dont la longueur est fonction de la vitesse de celle ci. Les transferts d'énergie sont liés aux
masses et aux rayonnements. C'est le cas dans la célèbre relation de Louis de Broglie: E2 − E1 = hn; les
indices 1 et 2 correspondent à deux niveaux d'énergie de l'électron gravitant autour du noyau d'un atome
d'hydrogène; n est la fréquence de rayonnement électronique qui apparaît du fait de la perte d'énergie de l'électron
sautant de l'orbite 1 à l'orbite 2, et h la constante de Planck, égale à 6626 176 10−34 Js.
La physique relativiste
Ayant constaté que la vitesse de la lumière n'est pas infinie, Einstein bâtit une théorie qui élargit la physique de
Newton et dans laquelle les vitesses considérées sont faibles par rapport à celle de la lumière. Il établit ainsi une
relation de non conservation de la masse d'une particule lancée à une vitesse v relativiste (au moins 10 % de c,
vitesse de la lumière) par la formule: m = m[1 − (v2/c2)]−(1/2).
Si la vitesse d'une particule croît de 0 à v, sa masse augmente de m − m = dm et, par conséquent, son
énergie cinétique augmente de dmc2. Einstein, qui généralise cette formule à un système matériel, admet que
toute variation dE de l'énergie d'un tel système, quelle que soit sa cause, est liée à une variation dm de la masse
du système, et que sa variation d'énergie est égale au produit de la variation de sa masse par le carré de la vitesse
de la lumière dans le vide: dE = dmc2. D'où la formule bien connue, si l'on admet que E est définie à une
constante près: E = mc2.
Le champ d'application de cette physique comprend la physique des particules à haute énergie, les réactions
nucléaires et la radioactivité. Il faut noter que le principe de conservation de l'énergie demeure, si on considère qu'il
s'agit de la conservation de la grandeur masse énergie. Cette relation entre masse et énergie incitera Einstein à
montrer que gravitation (la masse) et électromagnétisme (l'énergie) sont de nature unifiée, et ce grâce à la théorie
de la relativité générale.
Formes d'énergie et conversions Il est possible d'avoir une vision plus synthétique de toutes les formes si diverses
sous lesquelles l'énergie se manifeste en recherchant leur origine à l'échelle des temps cosmiques.
Les «parents» de l'énergie L'hypothèse du big bang fournit une explication intéressante. L'explosion initiale
dont serait né l'Univers aboutit à une «soupe cosmique» composée de particules de très haute énergie, à une
température de plusieurs millions de degrés Celsius. Cette «soupe» s'est transformée par étapes pour constituer,
en définitive, des étoiles. Le système solaire s'est formé, d'après les théories de l'astrophysique, il y a environ 45
milliards d'années. La matière du Soleil est composée d'ions hydrogène qui entretiennent une réaction de fusion
thermonucléaire, et la Terre est formée d'éléments qui se sont transformés au cours du temps pour aboutir, par la
radioactivité, à tous les éléments présents dans la planète. L'uranium, en particulier, utilisé dans les centrales
nucléaires, n'est pas originaire du Soleil, mais du nuage stellaire qui a formé le Soleil et la Terre. Ainsi, le nuage
stellaire étant la cause originelle, l'énergie disponible aujourdhui sur Terre a pour origine deux «parents»
parallèles, le Soleil et l'uranium.
Si on délaisse l'échelle des temps cosmiques pour l'échelle géologique, on peut suivre les transformations de
l'énergie initiale. Les différentes matières premières pouvant produire de l'énergie se sont formées au cours des
temps géologiques; il s'agit principalement du pétrole, du gaz et du charbon. C'est en fait le rayonnement du Soleil
qui fut, à diverses époques géologiques, le responsable de la production de grandes quantités de biomasse (par
exemple, au carbonifère pour le charbon ou au permien pour le pétrole). Les bouleversements géologiques
provoquèrent le recouvrement par les eaux de terres émergées, des couches sédimentaires s'empilèrent
progressivement au fond des océans, et la biomasse, soumise à un processus de décomposition et à des
augmentations de pression considérables, se transforma en pétrole, en gaz ou en charbon. Ces matières
premières énergétiques sont donc, en quelque sorte, de la biomasse «en boîte», dont l'histoire s'étend sur des
millions d'années.
L'uranium, formé dans les profondeurs de la Terre, est également non renouvelable. Ce corps est responsable, de
façon indirecte, de la chaleur des nappes phréatiques enfouies à plusieurs centaines de mètres sous terre, le flux
géothermique provenant de la chaleur libérée par les transmutations nucléaires dans le «four» terrestre.
Ces énergies d'hier sont à comparer à celles d'aujourdhui, dont la source principale est le Soleil: biomasse
produite grâce au rayonnement solaire; énergie hydraulique tirée des chutes d'eau, après que l'eau s'est évaporée
grâce au rayonnement et est retombée, sous l'effet de la pesanteur, sur le sol; énergie éolienne, due aux vents,
conséquence de la mise en mouvement des masses d'air par suite des différences d'échauffement de
l'atmosphère. Enfin, le rayonnement solaire direct est une source séculaire d'énergie. Ces sources énergétiques
sont considérées comme renouvelables, du moins à l'échelle humaine, car le Soleil, à terme (dans 5 milliards
d'années), disparaîtra.
Conversion des gisements fossiles non renouvelables Les gisements de charbon, de pétrole, de gaz naturel
ou d'uranium présentent l'avantage de constituer des stocks d'énergie. Dans les centrales thermiques, leur
combustion (y compris celle, «nucléaire», de l'uranium) dégage une chaleur considérable par rapport à leur
encombrement. La combustion du charbon, qui supplanta le bois, devenu rare au XVIIIe siècle, est en réalité une
réaction chimique, C + O2 [réaction] CO2, qui libère l'énergie d'origine électromagnétique. Le pétrole, selon le
même principe, produit également de la chaleur, les hydrocarbures étant facilement oxydables (cependant, il serait
préférable de le réserver pour l'industrie chimique, qui met en œuvre de très nombreuses transformations en
d'autres produits commercialisables). Le gaz naturel, généralement constitué de méthane, est aussi un excellent
combustible: CH4 + 2O2 [réaction] CO2 + 2 H2O. Quant à l'uranium, c'est le fait de casser son noyau en deux
noyaux plus légers par un bombardement de neutrons qui libère de l'énergie; il n'y a donc pas de combustion au
sens chimique du terme, mais bien une réaction nucléaire.
Dans tous les cas, cette chaleur est ensuite transformée en électricité grâce au principe du cycle à vapeur.
La fusion thermonucléaire
Une des voies de recherche les plus prometteuses pour produire de l'énergie est la fusion thermonucléaire. Le
principe consiste à faire fusionner deux noyaux, chargés positivement à cause de leurs protons, en un seul. À ce
niveau intervient une force de répulsion électrostatique d'autant plus grande que la distance est faible. Pour vaincre
cette force, il faut qu'à chaque noyau soit communiquée une énergie cinétique considérable, ce qui n'est réalisé
qu'avec des températures de l'ordre de 10 millions de degrés Celsius dans un état de la matière appelé plasma.
Lorsque la distance entre les deux noyaux devient très faible, ils peuvent fusionner, ce qui engendre un
gigantesque dégagement d'énergie.
On estime que la fusion contrôlée ne pourra raisonnablement aboutir que vers les années 2030. Des problèmes
considérables d'équipement ou de pollution radioactive sont loin d'être résolus concrètement. On s'accorde
cependant à considérer la fusion comme la solution à l'épuisement des combustibles fossiles, y compris l'uranium,
ainsi que le moyen de résoudre définitivement le problème de l'augmentation des rejets de gaz carbonique, en
partie responsables de l'effet de serre.
Conversion des flux énergétiques renouvelables Un des exemples d'énergie potentielle de pesanteur est celui des
barrages qui retiennent les eaux de montagne pour la production d'électricité. Il s'agit de la transformation d'une
énergie mécanique en énergie cinétique au moyen de turbines à eau, énergie cinétique transformée ensuite en
énergie électrique par un turboalternateur. La capacité de production électrique dépend donc du stock d'eau
disponible, variable selon les saisons.
L'énergie solaire, dont les potentialités ont été particulièrement explorées après le premier choc pétrolier de 1973,
est une énergie décentralisée, difficilement stockable. Pour son exploitation, on distingue les systèmes de
conversion passifs, qui utilisent la chaleur solaire captée puis transmise à un fluide de chauffage, et les systèmes
de conversion actifs, pour lesquels la chaleur solaire est la source de base d'un cycle de vapeur, analogue à celui
des centrales thermiques classiques. Il faut cependant que la chaleur solaire, et donc l'ensoleillement moyen,
soient suffisants.
Une autre invention remarquable, utilisant l'énergie solaire, et qui fut étudiée, dès ses débuts, par l'astronautique
est la photopile, ou pile photovoltaïque, qui transforme directement l'énergie solaire en énergie électrique. De
nombreuses recherches sont menées sur ces sujets, mais elles butent sur des impératifs d'ordre économique, les
techniques employées étant encore souvent trop onéreuses pour que soient envisagés des développements
industriels.
Enfin la biomasse, énergie solaire stockée sous forme chimique, fait l'objet de nombreuses études et de quelques
applications concrètes (gazéification de déchets organiques, nouvelles céréales, manipulations génétiques...).
L'énergétique
L'énergétique est un domaine de la science appliquée qui concerne les systèmes mettant en jeu de l'énergie – que
le système considéré utilise de l'énergie ou qu'il en produise.
Systèmes énergétiques La production d'électricité à partir de la chaleur est un exemple classique de système
énergétique utilisant un cycle moteur. Dans de tels systèmes, deux paramètres sont essentiels: le bilan
énergétique et le rendement du cycle. Ainsi, pour les centrales thermiques, le bilan énergétique s'écrit: chaleur
délivrée par une masse d'eau venant de la chaudière = chaleur perdue par l'eau dans le condenseur + travail
délivré dans le détendeur. C'est l'expression du premier principe de la thermodynamique, principe de conservation
de l'énergie. Par ailleurs, le rendement est égal au rapport du travail récupéré à la chaleur fournie; il est donc
toujours inférieur à 1. De fait, la thermodynamique enseigne qu'un rendement est toujours limité à une valeur
théorique inférieure à 1. On peut citer d'autres systèmes énergétiques utilisant un cycle moteur: turbine à gaz,
moteur à combustion interne et Diesel, turboréacteur...
Dans l'étude de tels systèmes, le bilan énergétique doit être particulièrement affiné (absence de pertes thermiques
et obtention de rendements les plus proches possible du rendement théorique).
L'économie d'énergie L'économie d'énergie, si essentielle physiquement et économiquement, peut aussi
s'articuler autour des deux axes ou paramètres définis précédemment: réduire, si ce n'est éliminer, les gaspillages
(action sur le bilan); inventer des procédés plus performants afin de tirer parti au maximum de l'énergie initiale
(action sur le rendement); ce dernier point est le plus complexe à mettre en œuvre. Deux exemples de système
sont proposés.
La pompe à chaleur à compression (PAC) Il s'agit du cycle d'un calogène. Une masse de vapeur de ce dernier
subit une compression liquide qui la porte à une certaine pression, puis une condensation à la même pression; le
liquide subit ensuite une dépression, puis une évaporation dans un évaporateur. Si la source chaude du
condenseur est l'eau d'un circuit de chauffage et la source froide, par exemple, l'air extérieur, ce cycle permet de
soutirer à la source froide (l'air) une certaine quantité de chaleur pour la transmettre à la source chaude (l'eau); on
refroidit donc la source froide pour chauffer la source chaude. Ce système économise ainsi l'énergie en utilisant au
mieux les différences de température entre des sources froide et chaude. Son rendement maximal à l'heure
actuelle est de 035 pour une pompe à chaleur à compression électrique.
Les systèmes couplés On peut coupler aussi géothermie et pompe à chaleur dans un système où certaines
nappes phréatiques à 55-60 °C sont considérées, en hiver, comme des sources froides. Une PAC fonctionne alors
sur une distribution d'eau de chauffage qui fait office de source chaude: la PAC «pompe» la chaleur géothermale
pour la rejeter dans la source chaude. En été, un autre scénario d'échanges thermiques peut être prévu: un
système de capteurs solaires à eau réchauffe la nappe phréatique, si bien que la nappe peut alors resservir l'hiver
suivant. L'énergie est renouvelée dans le temps; il y a donc économie sur le bilan et sur le rendement.
Prospective
Des progrès importants surviendront dans l'amélioration des rendements lorsque la qualité des échanges
thermiques sera mieux maîtrisée, notamment au niveau des échangeurs liquide/gaz, la transmission d'énergie par
convection ou conduction étant souvent mauvaise. Par ailleurs, dans l'industrie, on récupère déjà la chaleur des
fumées dégagées par les appareils industriels pour la réinjecter dans l'usage spécifique qui lui a donné naissance
(combustion, notamment). Ces économies d'énergie, tant dans le bâtiment que dans l'industrie, ont permis des
économies substantielles – de l'ordre de 25 % – par rapport à la consommation d'énergie d'avant 1973. C'est dire
l'importance des recherches sur les systèmes énergétiques pour accéder à une maîtrise qui apparaît déjà comme
l'un des grands objectifs fixés à l'humanité du XXIe siècle.
les énergies mécanique et calorifique
Un système possède de l'énergie s'il est capable de fournir du travail au milieu extérieur. Dans un tel système, les
mouvements d'ensemble ou les interactions entre les différentes parties du corps sont les sources d'énergie
mécanique. L'énergie calorifique, quant à elle, provient des mouvements propres des particules constituant le
système.
L'énergie mécanique L'énergie mécanique d'un système est mesurée par le travail qu'il peut fournir. Cette notion
correspond à la notion commune du travail humain rudimentaire, cest à dire au fait de déplacer une masse en
faisant un effort. La dynamique nous apprend que si une force F constante est appliquée à un corps de masse m
initialement au repos, elle lui communique un mouvement dont l'accélération est généralement désignée par γ. Le
travail fourni par cette force, lors d'un déplacement de longueur l dans la direction de la ligne d'action de l'effort, est
par définition égal à: W = Fl. Ce corps, dans des conditions idéales (aucun frottement), peut restituer le travail reçu.
En effet, abandonné à lui-même avec une vitesse v qu'il conservera grâce à l'inertie, et s'il vient frapper une palette
fixée à une roue, ce corps la fera tourner. Il possède donc de l'énergie. Cette énergie due au mouvement a reçu le
nom d'énergie cinétique. On la calcule à partir de la formule: Ec = 1/2 mv2, dans laquelle m est la masse du
corps et v sa vitesse.
Une boule pesante placée au dessus du sol peut acquérir de la vitesse, soit en tombant en chute libre, soit en
roulant le long d'un plan incliné, grâce à la pesanteur. Du fait de sa position par rapport à la Terre, la boule
possède donc une certaine énergie en réserve que l'on nomme énergie potentielle.
Cette énergie a un caractère statique. Emmagasinée par le système, elle varie avec sa configuration: la distance
Terre boule diminuant, l'énergie potentielle diminue également. Elle résulte de l'interaction entre les deux parties
du système. Ainsi, entre deux charges électriques, entre deux aimants, entre deux planètes s'exercent des forces
qui permettent de définir des énergies potentielles électrique, magnétique ou gravifique. Un ressort tendu possède
également de l'énergie potentielle qui provient des interactions «élastiques» des molécules qui le constituent. Ce
dernier exemple nous permet d'imaginer que l'on peut facilement transformer de l'énergie potentielle en énergie
cinétique et vice versa. L'énergie mécanique d'un système est la somme des énergies cinétique et potentielle.
Dans un système isolé, cette somme est constante; la conservation de l'énergie mécanique dans les systèmes
isolés constitue l'une des bases de la physique. Elle permet d'étudier le mouvement des corps, mais également la
propagation des ondes. Ainsi, la transmission du son dans les gaz résulte de compressions et de dilatations
successives qui correspondent à une transformation de l'énergie potentielle en énergie cinétique.
L'énergie calorifique La chaleur intervient dans de nombreux phénomènes physiques. Depuis 1845, année où
James Prescott Joule entreprit de mesurer l'équivalent mécanique de la calorie, nous savons que la chaleur n'est
qu'une forme d'énergie au même titre que l'énergie cinétique ou l'énergie potentielle. Pour évaluer l'énergie
mécanique totale d'un système, il faut donc tenir compte de son énergie calorifique. La thermodynamique, qui
étudie les échanges d'énergie dans les fluides et la transformation en force motrice, ne s'intéresse pas aux
mouvements d'ensemble des systèmes.
Dans ce cas, l'énergie cinétique est nulle et on définit la variation d'énergie interne ∆ U d'un fluide comme la
somme du travail fourni au fluide et de la chaleur qui lui est cédée. Le premier principe de la thermodynamique
traduit cet énoncé par la formule: ∆ U = W + Q, où W représente le travail échangé avec le milieu extérieur et Q les
échanges de chaleur. Pour recueillir du travail en fournissant de la chaleur, Sadi Carnot a démontré qu'il faut
disposer de deux sources de chaleur, le fluide empruntant de la chaleur à la source dite chaude et en cédant à la
source dite froide. Toute la chaleur ne peut donc pas être transformée en travail. En effet, la chaleur correspond à
l'agitation des molécules, donc à leur énergie cinétique. Cette agitation thermique étant absolument désordonnée,
seule la partie de l'énergie cinétique qui se trouve ordonnée par la différence de température entre les deux
sources se trouve utilisable. Ainsi, les moteurs thermiques, tels que la machine à vapeur, comprennent une source
chaude, la chaudière, et une source froide, la cheminée et l'atmosphère extérieure, qui reçoit une partie de
l'énergie produite. En l'absence de ce système ditherme, toute énergie tend à se transformer en chaleur pour
uniformiser l'énergie cinétique des molécules. C'est cette transformation en énergie peu utilisable par l'homme qui
constitue la dégradation de l'énergie.