énergie.

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énergie.
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PRÉSENTATION

énergie, capacité d'un système à produire un travail. L'énergie est l'un des quatre concepts prédéfinis de la physique, avec la matière, l'espace et le temps (voir espace-temps).

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PRINCIPE DE LA CONSERVATION DE L'ÉNERGIE

L'énergie se manifeste sous différentes formes et peut passer d'une forme à une autre, ou se décomposer en plusieurs formes, mais l'énergie totale d'un système isolé demeure constante. En particulier, l'énergie totale de l'Univers est constante, elle
ne fait que se transformer ou se propager. Mis en évidence par les physiciens du début du XIXe siècle, ce principe de la conservation de l'énergie constitue l'une des bases de la physique et résulte de l'homogénéité de l'Univers.

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NIVEAUX D'ÉNERGIE ET STABILITÉ

L'ensemble des phénomènes physiques sont gérés par des considérations énergétiques : l'évolution spontanée d'un système physique se fera toujours de l'état de plus haute énergie vers un état de plus faible énergie. En effet, pour accéder à un état
de plus haute énergie, il faut qu'une énergie supplémentaire soit fournie au système, ce qui ne peut se faire sans l'intervention du milieu extérieur. À l'inverse, le système peut spontanément libérer de l'énergie (par exemple en rayonnant) sans
aucune aide extérieure, et se retrouver ainsi dans un état d'énergie plus faible. L'état le plus stable d'un système physique est donc l'état de plus basse énergie, appelé état fondamental du système. Tous les autres états (d'énergies supérieures) sont
appelés états excités. Ces états sont pour la plupart instables ; toutefois il existe des états dits métastables, dont l'énergie est supérieure à celle du niveau fondamental. Lorsqu'un système se trouve dans un état métastable, autrement dit un
minimum énergétique relatif, il lui faut passer par des états intermédiaires d'énergies supérieures pour atteindre son état fondamental. Ce processus ne peut avoir lieu sans qu'une certaine énergie lui soit préalablement fournie : il est bloqué dans son
état métastable. On dit que le système doit franchir une barrière de potentiel pour atteindre son niveau fondamental.

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FORMES D'ÉNERGIE

L'énergie existe sous de multiples formes, notamment mécanique (voir mécanique), thermique (voir thermodynamique), chimique (voir réaction chimique), électrique (voir électricité), rayonnante (voir rayonnement) et nucléaire (voir nucléaire,
énergie).

4.1

Énergie mécanique

L'énergie mécanique d'un corps se répartit entre son énergie cinétique, lorsqu'il est en mouvement, et son énergie potentielle, que lui vaut à tout moment sa position dans un champ de force. Dans de tels systèmes mécaniques, les variations
d'énergie cinétique et d'énergie potentielle s'équilibrent, de façon que leur somme reste toujours la même.
Dans un pendule en mouvement dans un champ de gravité, par exemple, une énergie cinétique maximale est atteinte au creux du balancement, mais elle est compensée par une énergie potentielle minimale puisque le balancier se trouve à sa
position la plus basse. De même, en bout de course du balancier, l'énergie cinétique est nulle (car la vitesse est nulle), alors que l'énergie potentielle est maximale car le pendule est au plus haut. Entre ces deux points extrêmes, l'énergie du balancier
passe par une combinaison sans cesse changeante d'énergie cinétique et d'énergie potentielle, mais leur somme (l'énergie mécanique du système) reste constante.

4.2

Énergie chimique

La matière peut également renfermer de l'énergie chimique, libérée lors de réactions exothermiques. Un morceau de magnésium, par exemple, relâche son énergie chimique potentielle sous forme de chaleur et de lumière lors de sa combustion dans
l'oxygène. Certaines réactions peuvent être réalisées pour obtenir de l'énergie cinétique. Ainsi, dans une arme à feu, l'énergie chimique potentielle de la poudre à canon est transformée en chaleur et en bruit, mais surtout en énergie cinétique du
projectile. Ce principe est également à la base du moteur à réaction et du moteur de fusée. L'énergie chimique n'est rien d'autre que l'énergie de liaison entre les atomes dans les molécules. En brisant ces liaisons, on libère l'énergie qu'elles
contiennent ; pour en reformer d'autres, il faut fournir de l'énergie.

4.3

Énergie électrique

Dans le principe de la pile électrique, une énergie potentielle chimique est convertie en mouvement d'électrons, c'est-à-dire en courant électrique. Cette énergie électrique peut également être obtenue en convertissant l'énergie cinétique d'une
dynamo en rotation, selon le principe de l'induction électromagnétique. Du point de vue microscopique, l'énergie électrique provient du mouvement des électrons dans le milieu conducteur, donc de leur énergie cinétique. L'énergie électrique obtenue
peut elle-même être transformée en mouvement ou en travail dans les moteurs et les appareils électriques.

4.4

Énergie rayonnante

Un rayonnement électromagnétique, pour sa part, possède une énergie qui dépend de sa longueur d'onde et de sa fréquence. Du point de vue quantique, cette énergie est la somme de l'énergie des photons qui constituent ce rayonnement. Cette
énergie est impliquée dans de nombreuses transformations : elle est emmagasinée par la matière lorsque celle-ci absorbe un rayonnement, et peut être restituée à l'environnement sous forme de lumière ou de chaleur.

4.5

Énergie thermique

La chaleur est la forme d'énergie la plus commune. Elle consiste en un mouvement désordonné de molécules et d'atomes, appelé agitation thermique. Elle est omniprésente dans les transformations d'énergie, dont elle constitue souvent un déchet
inutilisable. Dans les appareils mécaniques, par exemple, on ne peut éviter la conversion d'un certain pourcentage d'énergie en chaleur de friction dans les pièces. De même, dans les circuits électriques, des pertes de travail utile proviennent de la
conversion de l'énergie électrique en chaleur dans les fils (effet Joule). C'est cette détérioration de la « qualité « de l'énergie au cours de ses multiples transformations qui est exprimée dans le principe d'entropie.

4.6

Énergie nucléaire

La théorie de la relativité d'Einstein permet de démontrer que la matière peut se transformer en énergie et inversement : c'est le principe d'équivalence masse-énergie. Cette équivalence est à la base des réactions nucléaires de fission et de fusion.
Dans la fission, un noyau atomique se sépare en deux noyaux dont la masse totale est inférieure à la masse du noyau initial. Le défaut de masse est transformé en énergie, qui est libérée sous forme d'énergie cinétique des fragments et de rayons
gamma.

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QUANTIFICATION DE L'ÉNERGIE

L'avènement de la physique quantique a fondamentalement modifié notre perception de l'énergie. Celle-ci n'est plus considérée comme une grandeur continue mais discrète : dans un système donné, elle ne peut prendre que certaines valeurs bien
déterminées, et passe de l'une à l'autre par saut. Cette quantification de l'énergie ne nous apparaît pas au niveau macroscopique, car la différence d'énergie en deux niveaux successifs est si faible que l'on a l'impression qu'elle varie continûment. En
revanche, au niveau atomique, ce phénomène joue un rôle primordial.
Un autre effet quantique d'importance découle du principe d'incertitude de Heisenberg. En vertu de ce principe, la loi de conservation de l'énergie peut être violée durant un laps de temps extrêmement court.
Voir aussi bioénergétique
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