Énergie cinétique
C’est l’énergie associée au
mouvement d’un objet. On a vu qu’elle était proportionnelle à la masse “m” et au carré de la vitesse “v” de l’objet (à condition que cette vitesse soit faible devant celle de la lumière, 300 000 km/s).
Énergie de gravitation
Deux corps massifs s’attirent. Cette force, dite de gravitation, est faible pour de petits objets, mais devient importante pour des astres. Ainsi le Soleil et la Terre, la Terre et la Lune, s’attirent ; la pesanteur n’est autre que la force de gravitation exercée par la Terre sur les objets dans son voisinage. À cette force correspond une énergie de gravitation, plus élevée lorsque les corps sont éloignés l’un de l’autre que lorsqu’ils sont proches.
L’énergie de gravitation est dite potentielle, parce qu’elle ne se manifeste à nous que lorsqu’elle se convertit en une autre forme d’énergie. L’énergie potentielle
d’une cabine d’ascenseur est plus grande au sixième étage qu’au rez-de-chaussée, car elle est alors plus éloignée du centre de la Terre qui l’attire. Si l’on coupait le câble en neutralisant les freins de sécurité, la cabine tomberait en s’accélérant, son énergie potentielle se transformerait alors en énergie cinétique, plus visible.
De même, l’énergie d’une masse de 1 kg d’eau à la surface d’un lac de barrage est plus élevée que son énergie lorsqu’elle est au pied du barrage. En effet, pour une différence d’altitude de 100 m, la différence d’énergie potentielle est de 981 J. C’est cette énergie qui est exploitée dans une centrale hydroélectrique, où la chute de l’eau actionne des turbines qui entraînent des alternateurs.
Énergie élastique
Il s’agit encore d’une énergie potentielle, associée cette fois aux déformations des objets élastiques, par exemple à la tension d’un ressort ou à la compression d’un gaz.
Travail
Ce terme désigne un transfert d’énergie réalisé en exerçant une force dont le point d’action se déplace. En soulevant un poids, par exemple en remontant de l’eau depuis la base jusqu’au sommet d’un barrage, on lui fournit un travail, qui lui permet d’acquérir une énergie potentielle plus élevée ; le travail fourni à une pompe qui comprime un gaz accroît l’énergie élastique de celui-ci et contribue à l’échauffer.
Les formes d’énergie énumérées jusqu’ici sont des
énergies mécaniques.
Énergie calorifique
À l’échelle atomique, la chaleur se traduit par un mouvement désordonné et plus ou moins rapide des molécules. À notre échelle, elle constitue la forme d’énergie mise en jeu lorsque la température varie ou lorsqu’un matériau change d’état (fusion de la glace, évaporation de l’eau). Elle peut se transférer de proche en proche sans se transformer en une autre forme d’énergie (conduction calorifique). Elle peut aussi se convertir en énergie mécanique, dans une turbine, une machine à vapeur, ou un réacteur d’avion, mais cette conversion ne peut être que partielle.
Énergie électrique
Les particules chargées exercent les unes sur les autres des forces électriques. De même qu’une énergie potentielle de gravitation était associée aux forces de gravitation ou de pesanteur, une énergie potentielle électrique est associée aux forces électriques entre charges. Le déplacement de celles-ci dans un circuit s’accompagne de transferts plus ou moins rapides d’énergie, mesurés par la puissance électrique. Une énergie électrique peut se transformer en chaleur dans une résistance (radiateur, réchaud), en travail dans un moteur.
Énergie radiative
Un rayonnement transporte de l’énergie, même à travers le vide. Le Soleil nous transmet une puissance de l’ordre de 1 kW par mètre carré, sous forme de lumière visible et de rayonnement infrarouge. Un radiateur nous communique sa chaleur par l’intermédiaire de l’air ambiant, mais aussi directement sous forme de rayonnement infrarouge. Dans le filament d’une ampoule électrique, l’énergie électrique se transforme en chaleur, puis cette chaleur est évacuée principalement sous forme d’énergie radiative, lumineuse et infrarouge.
Un four à micro-ondes communique de la chaleur aux aliments à partir d’une énergie électrique, par l’intermédiaire d’un rayonnement dit de micro-ondes, analogue à celui d’un radar. Inversement, on peut convertir en énergie électrique une partie de l’énergie lumineuse en provenance du Soleil à l’aide de photopiles solaires. Les ondes radio transportent aussi une énergie, certes faible, mais suffisante pour véhiculer du son, des images ou de l’information.
Énergie chimique
L’énergie chimique est associée à la liaison des atomes dans les molécules. Elle est plus élevée lorsque ces atomes sont séparés que lorsqu’ils sont liés en molécules, et cet écart est d’autant plus grand que la liaison est plus forte. Puisqu’elle modifie l’énergie chimique des corps, une réaction chimique s’accompagne d’une transformation de cette énergie en une autre forme d’énergie, le plus souvent en chaleur. Un réchaud à gaz produit ainsi une certaine quantité d’énergie calorifique, égale à la différence entre l’énergie chimique du gaz et de l’oxygène consommés et celle des produits de combustion (vapeur d’eau et dioxyde de carbone). Dans une centrale thermique au charbon ou au fioul, une fraction de la chaleur de combustion est transformée en énergie électrique. Dans un accumulateur ou une pile électrique, une partie de l’énergie chimique libérée par la réaction est directement récupérée sous forme électrique.
Bien que d’apparence dissemblable, les énergies calorifique, électrique, radiative et chimique ont une origine commune : à l’échelle microscopique, toutes sont reliées aux forces électriques entre des particules chargées.
Énergie nucléaire
L’énergie nucléaire est localisée dans les noyaux des atomes. Ces noyaux, 100 000 fois plus petits que les atomes eux-mêmes, sont constitués de particules plus élémentaires – les protons et les neutrons – très fortement liés entre eux. De même que la liaison des atomes en molécules est la source de l’énergie chimique, la liaison des protons et neutrons en noyaux par des forces nucléaires est la source de l’énergie nucléaire. Une réaction nucléaire, en transformant les édifices des noyaux atomiques, s’accompagne ainsi d’un dégagement de chaleur. C’est ce mécanisme qui produit au cœur du Soleil, par fusion des noyaux d’hydrogène en noyaux d’hélium, la chaleur qui sera ensuite rayonnée. Dans nos centrales électronucléaires, nous utilisons une autre réaction nucléaire, la fission des noyaux d’uranium, qui les transforme chacun en deux autres noyaux environ deux fois plus petits ; une partie de la chaleur produite (33 % comme nous l’avons indiqué dans le chapitre “Qu'est-ce que l'énergie ?”, au paragraphe “L'énergie se conserve”) est convertie en électricité.