Qu'est-ce que l'énergie ?

L’univers est composé de matière sous différentes formes, et toutes les formes de matière contiennent de l’énergie.  Les différentes formes d’énergie sur Terre proviennent du Soleil — la source ultime d’énergie. Les plantes capturent l’énergie lumineuse du Soleil et, grâce au processus de photosynthèse, la transforment en énergie chimique. Cette énergie stockée dans les plantes peut être exploitée de plusieurs façons. Par exemple, manger des produits végétaux comme nourriture fournit de l’énergie pour que notre corps fonctionne, et brûler du bois ou du charbon (plantes fossilisées) génère de la chaleur et de l’électricité. Par conséquent, puisque toutes les transformations de matière impliquent des transformations de l’énergie, il est essentiel de comprendre comment l’énergie circule d’une forme à l’autre.  

L’énergie est définie comme la capacité à produire un travail. Un travail est effectué lorsqu’une force appliquée à un objet entraîne le déplacement de l’objet par rapport à une force opposée. Par exemple, un travail est effectué lorsqu’une table est poussée à travers une pièce contre la résistance du sol.  

L’énergie peut être regroupée en deux types principaux : l’énergie potentielle et l’énergie cinétique. L’énergie potentielle est l’énergie associée à la position, à la composition ou à la condition relative d’un objet. L’énergie cinétique est l’énergie associée au mouvement de l’objet. Par exemple, l’eau retenue derrière un barrage possède une énergie potentielle en raison de sa position au-dessus du sol. Lorsqu’elle s’écoule vers le bas à travers les générateurs, elle gagne de l’énergie cinétique, qui peut produire un travail pour générer de l’électricité dans une centrale hydroélectrique.

Énergie potentielle

L’énergie potentielle est également appelée énergie au repos ou énergie stockée. Les types courants d’énergie potentielle comprennent l’énergie potentielle gravitationnelle stockée dans une pomme accrochée à un arbre,  l’énergie potentielle électrique stockée dans un objet en raison de l’attraction ou de la répulsion de charges électriques, ou l’énergie potentielle chimique stockée dans les liaisons entre les atomes et les molécules. En outre, l’énergie nucléaire stockée dans un noyau atomique et l’énergie élastique stockée dans un ressort étiré en raison de sa configuration sont des types d’énergie potentielle.

D’habitude, les objets ou les systèmes avec une énergie potentielle élevée ont tendance à être moins stables, et ils se déplacent ainsi vers des niveaux d’énergie plus bas pour atteindre la stabilité. Par exemple, l’élément radioactif uranium 235 (²³⁵U) possède un noyau instable. Pour gagner en stabilité, il se divise en éléments plus petits mais stables et libère l’énergie nucléaire stockée. Cette énergie libérée peut alors être utilisée pour produire de l’électricité dans les centrales nucléaires.  

Énergie cinétique

La quantité d’énergie cinétique d’un objet dépend de sa masse et de sa vitesse. Considérez deux boules de masses différentes roulant le long d’un plan incliné à la même vitesse. La boule plus lourde aura plus d’énergie cinétique. De même, lorsque deux boules de même masse roulent sur un plan incliné à différentes vitesses, la boule qui se déplace plus rapidement a plus d’énergie cinétique.  

Il existe également différentes formes d’énergie cinétique, y compris l’énergie mécanique, électrique, rayonnante, sonore, et l’énergie thermique. L’énergie mécanique est associée au mouvement d’un objet. Plus un objet se déplace rapidement, plus il dispose d’énergie mécanique.  Par exemple, une balle tirée d’une arme à feu ou l’eau qui coule dans un barrage sont des exemples d’énergie mécanique. L’énergie électrique est attribuée au flux des charges électriques, comme cela est observé en cas de foudre pendant les orages ou dans les circuits et dispositifs électriques quotidiens. L’énergie rayonnante est la forme d’énergie cinétique qui se propage sous forme d’ondes électromagnétiques et qui peut être expérimentée sous la forme de lumière et de chaleur. La lumière du soleil est un exemple d’énergie rayonnante.

L’énergie thermique est associée au mouvement aléatoire des atomes et des molécules. Lorsque les atomes et les molécules d’un objet se déplacent ou vibrent rapidement, ils ont une énergie cinétique moyenne (Ec) plus élevée et on dit que l’objet est “ chaud “. Lorsque les atomes et les molécules se déplacent lentement, ils ont une Ec moyenne plus faible et l’objet est désigné comme “ froid “. Ainsi, l’énergie thermique peut être observée grâce aux changements de température d’un objet. En supposant qu’aucune réaction chimique ou changement de phase (comme la fusion ou la vaporisation) ne se produit, l’augmentation de la quantité d’énergie thermique dans un échantillon de matière entraînera une augmentation de sa température. De même, en supposant qu’aucune réaction chimique ou changement de phase (comme la condensation ou le gel) ne se produit, la diminution de la quantité d’énergie thermique dans un échantillon de matière entraîne une diminution de sa température.

La loi de la conservation de l’énergie

L’énergie peut être transformée d’une forme à une autre, mais l’énergie totale présente avant un changement existe toujours même après un changement sous une forme ou une autre. Cette observation est exprimée en tant que loi de conservation de l’énergie. La loi de conservation de l’énergie stipule que l’énergie n’est ni créée ni détruite, bien qu’elle puisse changer de forme. Ainsi, l’énergie totale d’un système reste constante. Par exemple, l’énergie chimique (un type d’énergie potentielle) est stockée dans les molécules qui composent l’essence. Lorsque l’essence subit une combustion dans les cylindres du moteur d’une voiture, les produits gazeux en expansion rapide de cette réaction chimique génèrent de l’énergie mécanique (un type d’énergie cinétique) lorsqu’ils déplacent les pistons du cylindre.

Ce texte est adapté de Openstax, Chimie 2e, Section 5.1 : Notions d’énergie.