1° S - Cours de physique - Comprendre 8 :

Chapitre XIII : conservation de l’énergie

I- Différentes formes d'énergie

1. Définition

L'énergie, notée E est une grandeur physique qui représente la capacité d'un corps à interagir avec son environnement. Dans le système international (S.I), elle s'exprime en joule (J). Elle peut prendre des formes très variées (activité 1 p 220)

2. Energie cinétique

Il s'agit de la forme d'énergie liée au mouvement.

L'énergie cinétique Ec d'un  objet ponctuel de masse m, ayant une vitesse instantanée v est donnée par l'expression :

Ec =

12 m v2 Unités S.I :     m (kg)            v  (m. s-1)             Ec (J)

3. Energie potentielle de pesanteur Epp

L'énergie potentielle de pesanteur d'un solide est une énergie due à l’interaction entre lui et la Terre. La valeur de Epp dépend de la position de cet objet par rapport à la Terre.

L'énergie potentielle de pesanteur EPP d'un  objet ponctuel de masse m, situé à une altitude z par rapport au sol terrestre est donnée par l'expression : Epp = m. g. z - Unités S.I : m (kg), g (N. kg-1), z (m), Epp (J)

NB : cette expression n'est valable que si l'axe Oz vertical et orienté vers le haut.

Remarques :

Si l'axe Oz est orienté vers le bas (à éviter), l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur devient : Epp = - m g z

La valeur de l'altitude z du centre d'inertie du solide dépend de l'origine, arbitraire, de l'axe Oz. Il en est de même de la valeur l'énergie potentielle de pesanteur. On dit qu'elle est définie à une constante additive près.

4. Energie mécanique

L'énergie mécanique EM d'un solide est égale à la somme de son énergie cinétique Ec et de son énergie potentielle de pesanteur Epp : EM = Ec + Epp

L'énergie mécanique, comme l'énergie potentielle, dépend de l'origine des altitudes. Elle est  donc définie à une constante près.

Pour un solide ponctuel :

EM =

12 m. v2 + m. g. z

5. Autre formes d'énergie

Il existe d'autres formes d'énergie : l'énergie nucléaire, l'énergie thermique, l'énergie électrique ...

L'énergie totale d'un système est la somme de toutes ses formes d'énergie :

E = Ec + EPP + .....

II- Modes de transfert de l'énergie

Les échanges d'énergie d'un système avec l'extérieur peuvent se faire selon trois modes : - transfert mécanique : des forces extérieures appliquées au système peuvent modifier son énergie, en particulier son énergie mécanique. - transfert thermique : entre deux corps à des températures différentes (voir cours comprendre 5). - transfert par rayonnement : les transferts d'énergie par rayonnement résultent d'une interaction entre une onde électromagnétique et la matière (voir chapitre Observer 3).

III- Principe de conservation de l'énergie

1. Enoncé

L'énergie est une grandeur qui ne peut être créée ou détruite, elle peut seulement être transférée.

2. Conséquences

- L'énergie totale de l'univers est constante.- L'énergie d'un système isolé (qui n'échange pas d'énergie avec l'extérieur) est également constante.

3. Application à la désintégration β-

En 1930, pour respecter la conservation de l'énergie lors des désintégrations β -, l'Autrichien Wolfgang Pauli est conduit à postuler l'existence d'une nouvelle particule de masse très faible et de charge nulle : le neutrino. Elle sera effectivement découverte expérimentalement en 1956.

IV- Energie mécanique d'un solide

1. Solide en chute libre (soumise qu’à son poids, pas de frottement de l’air)

L'énergie mécanique EM d'un solide en chute libre (avec ou sans vitesse initiale) est constante (voir TP). On dit qu'elle se conserve.Au cours du mouvement, il y a transformation réciproque d'énergie cinétique en énergie potentielle de telle sorte que :

ΔEc=−ΔE pp

Quand le solide gagne de l'altitude, son énergie potentielle s'accroît, au détriment de son énergie cinétique qui diminue et réciproquement quand le solide perd de l'altitude.

2. Chute avec frottements

Si la chute du solide s'effectue dans un fluide (liquide ou gaz) exerçant sur sa surface des frottements, alors son énergie mécanique diminue.

La perte d'énergie mécanique du système s'explique par un transfert thermique (échauffement) vers l’extérieur. Globalement l'énergie de l’univers se conserve.