Energie (fizică)

Energie Descrierea acestei imagini, comentată și mai jos Fulger ilustrează în general energia în mod natural. Paradoxal, conține relativ puțin. Violența sa provine în principal din viteza și localizarea extremă a fenomenului. Date esentiale
Unități SI joule
Alte unități Mulți
Dimensiune
Baza SI N . m , kg . m 2 . s -2
Natură Dimensiune scalară conservatoare extinsă
Simbol obișnuit
Link către alte dimensiuni

=

=

În fizică , energia este o cantitate care măsoară capacitatea unui sistem de a modifica o stare , de a produce lucrări care implică mișcare , radiații electromagnetice sau căldură . În sistemul internațional de unități (SI), energia este exprimată în jouli și este de dimensiune .

Etimologie

Cuvântul francez „energie“ provine din latine vulgare Energia , ea însăși derivat din greaca veche ἐνέργεια / energeia . Acest termen original grecesc înseamnă „forță în acțiune”, spre deosebire de δύναμις / dýnamis care înseamnă „forță în putere”; Aristotel a folosit acest termen „în sensul strict al unei operațiuni perfecte” , pentru a desemna realitatea efectivă în opoziție cu realitatea posibilă.

În 1717, termenul de energie este folosit pentru prima dată de Jean Bernoulli într-un sens orientat spre sensul fizic contemporan. În 1807, Thomas Young a introdus cuvântul energie în engleză , pentru a desemna cantitatea m · v 2 . Această adopție constituie un avans semnificativ în precizia expresivă. Într-adevăr, anterior cuvântul forță este folosit pentru a desemna indiferent conceptele contemporane de forță , energie și putere . Această utilizare s-a răspândit în special cu Philosophiae naturalis principia matematică a lui Isaac Newton, care folosește cuvântul forță în formularea ecuațiilor dinamicii. Termenul de lucru îi va fi propus în 1829 de către Gaspard-Gustave Coriolis , ajutând la specificarea în continuare a conceptelor distincte utile fizicii. Cu toate acestea, termenii și distincțiile lor conceptuale vor dura totuși timp să se răspândească. Așadar, din nou în 1847, subliniind generalitatea și importanța conservării energiei , Helmholtz a dezvoltat ideea într-o carte intitulată Űber die Erhaltung der Kraft (Despre conservarea forței). În 1850, William Thomson a propus în mod explicit adoptarea termenului de energie mai degrabă decât de forță . Un alt progres important este formularea în termeni moderni a conservării energiei mecanice efectuată de William Rankine în 1853. În ciuda acestui progres semnificativ, nu a fost până în 1875 să apară energia în literatura științifică franceză.

Definiție

De fapt, există mai multe definiții ale energiei. Sunt considerate echivalente.

De obicei, energia este astăzi definită ca „capacitatea unui corp sau a unui sistem de a produce lucrări mecanice sau echivalentul său” .

Într-un cadru mai formal, este definit ca „cantitatea fizică care se păstrează în timpul oricărei transformări a unui sistem fizic închis” . Este susținut de principiul conservării energiei . Calificativele închise sau izolate sunt specificate pentru a evita o interpretare care ar credita posibilitatea unei mișcări perpetue .

Robert Mayer , medic și naturalist în Heilbronn , este primul care formulează corect principiul conservării energiei într-un sistem închis, fără a se referi la luminatorii fizicii vremii. Certurile care au urmat asupra anticipării descoperirii principiului îl afectează pe Mayer, care se scufundă în depresie și face o încercare de sinucidere. Trece peste asta, iar onorurile ajung să ajungă după mult timp. A primit un doctorat onorific de la Universitatea din Tübingen .

Richard Feynman , în lecțiile sale de fizică , a obținut de exemplu din această definiție expresia energiei potențiale gravitaționale , cu ajutorul unor considerații asupra diferitelor dispozitive formate din pârghii , scripete și alte mecanisme.

Corolar

Corolarul acestei definiții formale, potrivit lui Jean-Marc Jancovici , este că energia intervine în orice transformare: „de îndată ce lumea din jurul nostru [...] se schimbă, energia intră în joc și [cantitatea de] măsuri de energie gradul de transformare dintre înainte și după ” . Acest lucru explică importanța energiei în economie și industrie.

Abordare transversală

O dimensiune „universală”

Energia este un concept creat pentru a cuantifica interacțiunile dintre fenomene foarte diferite; este un pic o monedă comună de schimb între fenomenele fizice . Aceste schimburi sunt controlate de legile și principiile termodinamicii . Unitatea de energie definită de Biroul Internațional de Greutăți și Măsuri (BIPM) din Sistemul Internațional (SI) este joul .

Când un fenomen provoacă un alt fenomen, intensitatea celui de-al doilea depinde de cea a primului. De exemplu, reacțiile chimice din mușchii unui ciclist îi permit să provoace mișcarea bicicletei. Intensitatea acestei mișcări (adică viteza) depinde de intensitatea reacțiilor chimice ale mușchilor ciclistului, care pot fi cuantificate (cantitatea de zahăr „arsă” prin respirație , metabolismul mușchiului).

Să luăm un alt exemplu. Un motor cu ardere internă funcționează printr-o reacție chimică, combustie , care are loc în interiorul unui cilindru . Reacția combustibilului (benzină, numită și combustibil în cazul unui motor termic ) cu oxidantul (oxigenul din aer) produce gaz cu emisia de căldură și lumină, ceea ce are ca rezultat o creștere a temperaturii și a presiunii în cilindru. Diferența de presiune dintre acest gaz și atmosfera de pe cealaltă parte a pistonului îl mută pe acesta din urmă, care trece, printr-o transmisie mecanică , să rotească roțile și să conducă diferite componente în cazul unui vehicul. În trecere, vor exista fricțiuni mecanice care vor produce încălzire și uzură.

Prin urmare, există o rearanjare a moleculelor (ruperea și re-crearea legăturilor chimice ) care determină o creștere a impulsului lor , ceea ce duce la o creștere a temperaturii gazului și, prin urmare, la o creștere a presiunii acestuia. Acesta din urmă provoacă mișcarea unui solid (pistonul), care va conduce un sistem de transmisie și, astfel, poate, pe de o parte, să rotească o axă, care poate fi, de exemplu, conectată la roțile unei mașini sau la un alternator. Acționarea părții în mișcare a acestui alternator va transforma un magnet care, prin inducție într-o bobină, va provoca o deplasare a electronilor (curent electric).

Conceptul de energie va face posibilă calcularea intensității diferitelor fenomene (de exemplu viteza mașinii și cantitatea de electricitate produsă de alternator) în funcție de intensitatea fenomenului inițial (cantitatea de gaz și căldură produsă prin reacția chimică a arderii).

Observații

Istoria conceptului de energie

Conceptul de energie este fundamental pentru studiul fenomenelor de transformare (cum ar fi chimia și metalurgia ) și transmiterea mecanică , care stau la baza revoluției industriale . Prin urmare , conceptul fizic al energiei a declarat în mod logic XIX - lea  secol.

În 1652, Huygens arată că cantitatea m · v 2 este cea care se păstrează în toate cazurile de șoc elastic .

Din 1686, Leibniz a numit această cantitate „forță” , „forță vie” partea sa cinetică și „forță moartă” ceea ce se numește energie potențială , apoi a dezvoltat sub denumirea de „  dinamică  ” prima teorie a energiei, unde m · V 2 este principiul activ în materie, realitatea sa primară.

În 1788, Lagrange arată invarianța sumei a două mărimi, care mai târziu se va numi „  energie cinetică  ” și „  energie potențială  ”.

În XIX - lea  secol, se realizează printr - o serie de experimente pentru a evidenția constatările sau legi  :

energia este conservată în toate fenomenele, devenind la randul lor de presiune , viteza , înălțimea ,  etc.

Astfel, datorită energiei, ne putem referi observații cât mai diferite mișcare , rotație , temperatură , culoarea unui corp sau o lumină , consum de zahăr sau de cărbune , uzura. ,  Etc.

De asemenea, se pare că, dacă energia este conservată și transformată, unele transformări sunt ușoare sau reversibile, iar altele nu.

De exemplu, este ușor să transformăm înălțimea căderii în încălzire, o putem face în întregime, pe de altă parte inversul este dificil (sunt necesare dispozitive complexe) și o parte din „energie” va trebui să fie difuzată și, prin urmare, să se piardă . Această observație va sta la baza ideii de entropie .

Din conceptul de conservare a energiei (în cantitate), vom putea privi dintr-o perspectivă diferită sistemele complexe (în special biologice și chimice ) care aparent încalcă această lege și, vom realiza, cu noi progrese științifice, pentru totdeauna valida postulatul sau principiul conservării energiei.

Energia este un concept esențial în fizică , care prevede este de XIX - lea  secol.

Găsim conceptul de energie în toate ramurile fizicii  :

Fizic

Unități și măsuri

În sistemul internațional de unități , energia este o cantitate exprimată în jouli ( ).

În știința fizică , un schimb de energie este un mod de exprimare a intensității fenomenelor; este , de fapt , o cantitate măsurabilă, și care este exprimată într - un mod diferit , în funcție de transformările pe care un sistem este supus ( reacție chimică , șoc, mișcare, reacție nucleară ,  etc. ). Deoarece energia este definită diferit în funcție de fenomene, putem defini de fapt diverse „forme de energie” (vezi mai jos).

Mai mult, la scara macroscopică, fiecare fenomen are o cauză; variația intensității fenomenului-cauză este cea care determină variația intensității fenomenului-efect. Dacă intensitățile fenomenelor cauză și efect sunt exprimate sub forma unei energii, atunci vedem că energia este conservată (vezi mai jos).

Unitatea Sistemului Internațional de Măsurare a Energiei este joule ( J ).

Unele activități folosesc alte unități, în special electron-volt ( 1  eV = 1,602 x 10 -19  J ), The kilowatt-oră (1  kWh = 3,6  MJ ), tona de echivalent petrol ( 1  tep = 41.868  GJ ), calorii ( 1  cal = 4,18  J ), caloria mare (dietetică: 1  Cal = 1  kcal = 4182  J ) pe kilogram și în fizica relativistă .

De Termodinamica este disciplina care studiază transformările energetice care implică energia termică . Cele dintâi principiu state care energia este conservată, a doilea principiu impune limitări asupra eficienței transformării energiei termice în energie mecanică, electrică sau alta.

Muncă și căldură

Loc de munca

Lucrarea este un transfer ordonat de energie între un sistem și mediul extern.

Căldură

Căldura este un transfer dezordonat de energie între sistem și mediul extern.

Căldura este un transfer de agitație termică. Agitația particulelor se propagă în funcție de șocuri în toate direcțiile, într-un mod dezordonat. Din acest motiv, nu se poate transforma niciodată complet energia termică în lucru, în timp ce inversul este posibil (de exemplu: munca electrică transformată în căldură prin efect Joule într-un radiator electric). Se mai spune că creșterea temperaturii corespunde unei degradări a energiei.

Acest transfer termic , numit căldură, are loc de la cel mai fierbinte sistem la cel mai rece, adică cel ale cărui particule sunt statistic cele mai agitate, își va transmite agitația termică la opțiunea unor șocuri mai mult sau mai puțin energetice., În exteriorul mediu sau în sistemul statistic mai puțin agitat, adică cel mai rece. Această observație intuitivă este formalizată de al doilea principiu al termodinamicii .

Proprietăți

Munca și căldura nu sunt funcții ale stării . Cantitatea lor, adusă în joc în timpul unei transformări , depinde de modul în care se procedează.

Randament

Conversia energiei de la o formă la alta nu este, în general, completă: o parte din energia prezentă la început este degradată sub formă de energie cinetică dezordonată (se spune uneori că este transformată în căldură). Numim eficiență coeficientul energiei obținute în forma dorită de cea furnizată la intrarea convertorului.

Luați exemplul unui motor termic . Ceea ce îl interesează pe utilizatorul său este mișcarea mecanică produsă. Restul energiei este cel mai bine considerat pierdut (partea extrasă sub formă de căldură în gazele de eșapament), în cel mai rău caz dăunătoare (partea care corespunde uzurii fizice sau chimice a motorului).

Un motor electric ideal, care ar transforma toată energia curentului electric în mișcare mecanică, ar avea o eficiență de 1 (sau 100%). În realitate, dacă este aproape de 95% pentru cele mai puternice mașini, este în medie în jur de 80-85% numai pentru un motor de curent alternativ de câțiva kilowați și puțin mai mic pentru motoarele cu curent continuu , datorită, printre altele, la fricțiunea periilor de pe rotor și o distribuție mai puțin bună a câmpului magnetic în mașină.

Prin urmare, eficiența reală a unui convertor este întotdeauna mai mică de 1, cu excepția convertoarelor al căror rol este de a produce energie termică pentru care este unitar ( încălzire electrică ).

În unele cazuri, poate exista un „randament” aparent mai mare de 1:

  • o pompă de căldură (sau un aparat de aer condiționat inversat) oferă de obicei de trei ori mai multă căldură decât a fost injectată cu energie electrică. Într-adevăr, în loc să disipeze această energie în căldură prin efectul Joule ca încălzitoarele electrice obișnuite, mașina preia energie termică dintr-un mediu extern (chiar și în apă la 2  ° C sau chiar 275, 15  Kelvin ): energia electrică consumată este atunci obișnuia să miște mai degrabă această căldură decât să o producă. Cu toate acestea, nu există o limită teoretică a cantității de energie termică pe care o poate muta un joule electric. Eficiența energetică este , de fapt , egal cu 1 (prin definiție, deoarece energia este conservată), iar noi numim coeficientul de performanță eficienței energetice a sistemului, adică raportul dintre energia pus la dispoziție de către pompa de căldură pentru că care ar fi fost asigurat numai de efectul Joule;
  • Un alt caz de eficiență aparentă mai mare de 1 provine dintr-o subestimare a energiei injectate din motive istorice. Astfel, cazanele au în mod tradițional ca referință energia „PCI” ( valoare calorică inferioară ) a combustibilului, care presupune arderea producând numai gaze. Cu toate acestea, arderea eliberează și energie termică sub formă de vapori de apă, pe care cazanele cu condensare le pot recupera transformându-l înapoi în apă lichidă; astfel se prezintă uneori randamente aparente mai mari de 1, în timp ce puterea calorică mai mare , care este mai potrivită, rămâne sub 1.

Legea conservării

Energia nu poate fi nici creată, nici distrusă, ci doar transformată de la o formă la alta sau schimbată de la un sistem la altul (principiul Carnot ). Acesta este principiul conservării energiei  : energia este o cantitate care poate fi conservată . Această sumă este compusă din mai multe componente ( energie cinetică , energie termică , energie potențială , energie în masă ,  etc. ), care sunt tranzacționate într - un joc cu sumă nulă .

Acest principiu empiric a fost validat în 1915, mult după descoperirea sa, de teorema lui Noether . Legea conservării energiei provine din invarianța în timp a legilor fizicii.

Acest principiu este atât de puternic în fizică încât de fiecare dată când părea să nu fie verificat, a dus la descoperiri importante. Ori de câte ori părea că energia nu este conservată, o transforma de fapt într-o nouă formă. De exemplu, radioactivitatea a fost interpretată odată ca reemisia a ceva ce a fost primit din exterior și explicația a venit din echivalența masă-energie.

Forme de energie

În practică, adesea distingem diferite „forme” de energie. Cu toate acestea, energia este utilizată pentru a măsura intensitatea unui fenomen, această diviziune este doar o modalitate de a face energia să corespundă fenomenului pe care îl măsoară. Mai mult, această distincție nu este absolută, ci depinde doar de poziția observatorului: principiul relativității se aplică și energiei, astfel încât același fenomen poate fi analizat în termeni de „cinetică”, „electromagnetică” sau „potențială” energie ...

Formele de energie considerate clasic sunt:

În teoria relativității , Albert Einstein stabilește existența doar a două forme de energie:

În termodinamică , energia fatală este energia prezentă inevitabil sau prinsă într-un proces sau un produs, care uneori și parțial poate fi ușor recuperată și utilizată; de exemplu, în urma întârzierilor în punerea în aplicare a reciclării , în anii 2000, Franța a produs peste 25 de milioane de tone de deșeuri menajere pe an , dintre care 40% erau încă tratate prin incinerare . Puterea calorică a acestor deșeuri este o formă fatală de energie. Fără recuperare (recuperarea căldurii , metanului , hidrogenului și / sau electricității  etc. , posibil cu cogenerare sau trigenerare , această energie s-ar pierde în mediu (în depozitele de deșeuri) sau ar fi eliberată în atmosferă. Arderea deșeurilor poate produce abur care poate furniza sere, fabrici sau o rețea de încălzire urbană methanization de deșeuri organice pot produce cantități substanțiale de metan și compost , care pot fi utilizate în agricultură.

Energie și putere

Energia cheltuită pentru a crea un fenomen măsoară magnitudinea fenomenului final. Această energie este furnizată de un alt fenomen, numit „fenomen motor”.

Unele fenomene motorii vor face treaba rapid, altele mai lent; de exemplu, un manipulator slab va dura mult timp pentru a asambla blocuri de beton unul câte unul în partea de sus a schelei, în timp ce un manipulator muscular va transporta mai multe pe rând și va fi mai rapid (pe de altă parte, rezultatul final va fi exact la fel).

Această abilitate de a mobiliza multă energie într-un anumit timp se numește puterea fenomenului motor:

puterea este raportul energiei furnizate de un fenomen de durata fenomenului, P = d E / d t .

Puterea se măsoară în wați (1  W = 1  J / s ).

Transferuri de căldură

De transferurile de căldură fac parte dintr - un domeniu de termodinamicii numit termodinamicii ireversibile , adică, pentru simplitate, că fenomenul nu poate merge înapoi.

Energia transferată este în esență sub formă de căldură care merge spontan dintr-o zonă fierbinte într-o zonă rece ( al doilea principiu al termodinamicii ). Acest transfer de căldură poate fi însoțit de un transfer de masă. Acest fenomen apare sub trei forme diferite:

Fiecare dintre aceste trei moduri este preponderent în universul său preferat: conducerea în solide, convecția în fluidele în mișcare (lichide, gaze), radiația în vid (unde este singurul mod posibil).

Conducerea

Conducerea termică este fenomenul prin care temperatura unui mediu devine omogenă. Acesta corespunde transmiterii agitației termice între molecule și are loc într-un solid, lichid sau gaz. Exemplu: temperatura unei bare încălzite la un capăt tinde să devină uniformă prin conducție termică.

Convecție

Convecția este transferul de căldură cauzat de mișcarea particulelor dintr-un fluid. Apare într-un fluid în mișcare. Exemplu: aerul cald, mai puțin dens, crește, transportând căldura de jos în sus.

Radiații

Radiația este transferul de căldură prin propagarea undelor electromagnetice sau prin dezintegrare radioactivă. Poate apărea în toate setările, inclusiv în vid. Exemplu: Pământul este încălzit de radiațiile de la soare.

Note și referințe

  1. CNRTL art. energie . - Dicționarul grec-francez al lui Bailly (1935) to art. ἐνέργεια .
  2. Emmanuel Trépanier, „  Cu privire la a doua impunere a termenului ἐνέργεια în Aristotel  ”, Laval theologique et philosophique, vol. 39, n o  1, 1983, p.  7-11 .
  3. Dicționar Larousse online, energie .
  4. Scrisoare de la Jean Bernoulli către Pierre Varignon, 26 ianuarie 1717: „Energia este produsul forței aplicate unui corp prin deplasarea infinitesimală suferită de acest corp sub efectul acestei forțe. „ - Leibniz folosește și acest cuvânt, în greacă, pentru a desemna„ cantitatea de putere activă ”, adică forța vie și forța moartă, adică m · v 2 , în special în Nature in it- same ( De ipsa natura , 1698): „în al doilea rând dacă, în lucrurile create, rezidă ceva energie (ἐνέργεια) ...” (original în latină în CI Gerhardt , Phi 4, p. 504 și 506).
  5. (în) Thomas Young, Un curs de prelegeri despre filosofia naturală și artele mecanice , 1807 Lectura VIII, p. 78: „Termenul de energie poate fi aplicat produsului masei unui corp prin pătratul vitezei sale ... Acest produs a fost numit forța vie ... Leibniz, Smeaton și mulți alții au estimat forța lui 'a corp în mișcare după produsul masei sale și al pătratului vitezei sale ”( citiți online ).
  6. Dezvoltarea conceptului energetic Roger Balian, Gabrielle Bonnet, Academia de Științe - Departamentul de Fizică Teoretică, CEA de Saclay 01/12/2009.
  7. Definiții lexicografice și etimologice ale „energiei” din trezoreria computerizată a limbii franceze , pe site-ul web al Centrului Național pentru Resurse Textuale și Lexicale .
  8. „Energie” , fișier CNRS.
  9. "  Energie, ce este mai exact?"  » , Despre Jean-Marc Jancovici ,2 septembrie 2018
  10. Roger Balian, „  II. Consecințele energetice ale principiilor fundamentale  ” , Fețele multiple ale energiei , pe culturesciencesphysique.ens-lyon.fr , École normale supérieure de Lyon ,19 ianuarie 2009( Rezumatul dosarului ).

    „Energia nu poate fi creată sau distrusă și este impropriu să vorbim așa cum facem în mod obișnuit despre„ producția ”sau„ consumul ”de energie. În toate cazurile, este vorba de schimbarea formei sau de transferul de la un sistem la altul ”

    .
  11. (de) Heilbronn und Umgebung ( „Heilbronn și împrejurimile sale” ), Rainer Moritz, edițiile Gmeiner-Verlag ( ISBN  978-3-8392-1258-5 )
  12. (în) Prelegerile Feynman despre fizică, volumul I, cap. 4 „Conservarea energiei” , California Institute of Technology , secțiunea 4-1 „  Ce este energia?  " .
  13. Sistemul internațional de unități (SI) , Sèvres, Biroul internațional al greutăților și măsurilor ,2019, Ed. A 9- a  . , 216  p. ( ISBN  978-92-822-2272-0 , citit online [PDF] ) , p.  26.
  14. Pierre Costabel, Contribuție la studiul ofensivei lui Leibniz împotriva filosofiei carteziene în 1691-1692 , Revue Internationale de Philosophie , 1966, n o  76-77, p.  265 ( citiți online ) „  „ această „știință nou-nouță” pe care Leibniz o numește „dinamică” și care, prin introducerea unui principiu activ ca realitate primară în materie ... ”
  15. Leonard Susskind ( trad.  Engleză), Minimul teoretic: tot ce trebuie să știți pentru a începe să faceți presă fizică , Lausanne / Paris, politehnică și universitară în Elveția de Vest,2016, 257  p. ( ISBN  978-2-88915-115-8 , citit online ) , p. 160.
  • Apariția conceptului de energie , Revue du Palais de la Découverte, 2011, MAYRARGUE Arnaud, lector principal Universitatea Paris12, IUFM, cercetător asociat la REHSEIS.


  • Acest articol este preluat parțial sau în întregime din articolul intitulat „  Energy  “ ( a se vedea lista de autori ) .

Vezi și tu

Articole similare

linkuri externe