Qu’est-ce que l’énergie ?
Un joule permet de soulever une pomme de 100 g sur environ 1 m ; une voiture de 1000 kg à 90 km/h en possède environ 310 000.
L’énergie permet les changements
Une balle qui roule, un élastique étiré, une tasse de thé chaud et une batterie de téléphone chargée ont un point commun. Chacun peut produire un effet : pousser, soulever, chauffer ou éclairer quelque chose. Les physiciens donnent à cette capacité un nom, l’énergie, et la mesurent avec une unité, le joule (J). Le joule doit son nom à James Prescott Joule, qui a montré dans les années 1840 que le travail mécanique et la chaleur sont deux manifestations d’une même grandeur.
Un joule, ce n’est pas beaucoup. OpenStax propose une image simple : un joule permettrait de soulever une petite pomme de 100 g sur environ un mètre. Vérifie avec la formule que tu verras dans l’unité 4 : 0.1 kg × 9.8 m/s² × 1 m = 0.98 J, presque un joule. L’énergie des aliments s’exprime dans des unités plus grandes. Une Calorie alimentaire (kcal) vaut 4186 J, et l’apport alimentaire quotidien recommandé pour un adulte représente environ 1.2 × 10⁷ J, soit douze millions de joules.
Plusieurs formes, une seule grandeur
L’énergie prend plusieurs formes, dont les noms indiquent où elle se trouve. Tout objet en mouvement possède une énergie cinétique. On stocke de l’énergie potentielle de pesanteur en soulevant un objet contre la gravité, et de l’énergie potentielle élastique en déformant un ressort ou un arc. L’énergie chimique est contenue dans les combustibles, les aliments et les batteries. L’énergie thermique correspond à l’agitation désordonnée des atomes et des molécules, que nous percevons sous forme de température. L’énergie électrique circule dans les fils, l’énergie rayonnante se propage sous forme de lumière, et l’énergie nucléaire est libérée lorsque des noyaux atomiques se scindent ou fusionnent.
L’énergie cinétique et l’énergie potentielle constituent ensemble l’énergie mécanique. Ce sont les deux formes que l’on repère facilement sur une balançoire ou des montagnes russes, et celles que ce cours étudie le plus. Les autres formes interviennent lorsque l’énergie quitte le domaine mécanique, le plus souvent sous forme de chaleur.
L’énergie ne se crée ni ne disparaît
La propriété la plus utile de l’énergie est que sa quantité totale ne change jamais. OpenStax formule ainsi le principe de conservation de l’énergie : l’énergie totale reste constante au cours de tout processus. Elle peut changer de forme ou passer d’un système à un autre, mais le total reste identique. Quand une voiture freine, son énergie cinétique ne disparaît pas. Elle devient de l’énergie thermique dans les disques de frein, qui chauffent. Quand tu recharges un téléphone, l’énergie électrique devient de l’énergie chimique dans la batterie, puis de la lumière et de la chaleur produites par l’écran.
Si l’énergie se conserve, pourquoi dit-on qu’on l’épuise ? Parce que sa forme compte. L’énergie dispersée sous forme de chaleur dans l’air est toujours présente, mais elle est difficile à récupérer et à réutiliser. Une centrale au charbon ne transforme qu’environ 40 pour cent de l’énergie chimique du combustible en électricité ; le reste part sous forme de chaleur. L’unité 5 évalue cela à l’aide d’une grandeur appelée rendement.
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Que représente un joule ? Des ordres de grandeur
Le tableau compare quelques quantités du quotidien à partir des valeurs du tableau 7.1 d’OpenStax. L’écart est immense. Un moustique en vol possède environ un millionième de joule d’énergie cinétique ; un gallon d’essence renferme environ cent millions de joules. La notation scientifique rend ces nombres lisibles : 1.2 × 10⁸ signifie qu’on décale la virgule de huit rangs dans 1.2, soit 120 000 000.
| Objet ou événement | Énergie (J) |
|---|---|
| Moustique (10⁻² g) à 0.5 m/s | 1.3 × 10⁻⁶ |
| Balle de tennis à 100 km/h | 22 |
| 1 g de matière grasse | 3.9 × 10⁴ |
| Voiture de 1000 kg à 90 km/h | 3.1 × 10⁵ |
| Apport alimentaire quotidien d’un adulte | 1.2 × 10⁷ |
| 1 gallon d’essence | 1.2 × 10⁸ |
Tu peux vérifier toi-même la ligne de la voiture. À 90 km/h, la vitesse vaut 25 m/s et l’énergie cinétique est ½ × 1000 × 25² = 312 500 J, soit 3.1 × 10⁵ J après arrondi. L’unité 3 explique l’origine de cette formule.
L’énergie peut aussi se déplacer sans changer de forme. Une casserole chaude réchauffe son manche par transfert thermique ; une batterie envoie de l’énergie par un fil vers une lampe ; le rayonnement solaire transporte de l’énergie du Soleil à la Terre à travers l’espace. Les physiciens distinguent deux termes. Une transformation change la forme de l’énergie, par exemple de chimique à cinétique. Un transfert fait passer l’énergie d’un objet ou d’un système à un autre, soit par travail (une force agissant sur une certaine distance), soit par chaleur (un passage du chaud vers le froid). L’unité suivante porte sur le premier cas, le travail.
| Joule (J) | L’unité de l’énergie et du travail : 1 J = 1 N·m |
| Énergie cinétique | Énergie liée au mouvement |
| Énergie potentielle | Énergie stockée selon la position ou la forme (hauteur, ressort étiré) |
| Énergie thermique | Agitation désordonnée des atomes et des molécules |
| Conservation de l’énergie | Le total reste identique ; seule la forme change |
| 1 Calorie alimentaire (kcal) | 4186 J |
- L’énergie est la capacité à produire un changement ; son unité est le joule.
- L’énergie existe sous les formes cinétique, potentielle, chimique, thermique, électrique, rayonnante et nucléaire.
- Énergie mécanique = énergie cinétique + énergie potentielle.
- L’énergie totale se conserve ; elle ne fait que changer de forme ou se déplacer.
- L’énergie dispersée sous forme de chaleur est difficile à réutiliser.
- Quelle est l’unité SI de l’énergie ?
- Joule
- Watt
- Newton
- Kelvin
- Quelle forme d’énergie un vélo en mouvement possède-t-il principalement ?
- Cinétique
- Nucléaire
- Potentielle élastique
- Chimique
- Lorsqu’une voiture freine jusqu’à l’arrêt, son énergie cinétique devient surtout :
- De la chaleur dans les freins
- Rien ; elle disparaît
- De l’énergie chimique dans le carburant
- De l’énergie nucléaire
- Combien de joules faut-il pour soulever une pomme de 0.1 kg de 1 m ? (g = 9.8 m/s², deux décimales)
- Combien de joules contiennent 2 Calories alimentaires (kcal) ?
- Quelle est l’énergie cinétique, en joules, d’une voiture de 1000 kg roulant à 25 m/s ?
- L’énergie mécanique est la somme de :
- L’énergie cinétique et l’énergie potentielle
- L’énergie thermique et l’énergie chimique
- L’énergie électrique et l’énergie nucléaire
- L’énergie lumineuse et l’énergie sonore
- Dans le laboratoire d’énergie avec frottements, que devient la barre du total ?
- Elle reste constante
- Elle diminue jusqu’à zéro
- Elle augmente
- Elle monte et descend brusquement
- Une centrale à charbon transforme environ 40 % de l’énergie de son combustible en électricité. Où va la majeure partie du reste ?
- Elle est libérée dans l’environnement sous forme de chaleur
- Elle est détruite
- Elle redevient du charbon
- Elle devient de l’énergie nucléaire
- Qu’est-ce qui contient le plus d’énergie : 1 gallon d’essence ou la nourriture quotidienne d’un adulte ?
- L’essence, environ 10 fois plus
- La nourriture, environ 10 fois plus
- Les deux en contiennent autant
- Aucun des deux ne contient d’énergie
Sources de ce cours (8)
- OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 7.1 Work: the scientific definition (W = F d cos θ, briefcase cases, 1 J = 1 N·m, 1 J lifts a 100 g apple about 1 m, lawn mower 75.0 N at 35° for 25.0 m = 1.54 × 10³ J, 1 kcal = 4186 J, under 10% of food energy goes into work)
- 7.2 Kinetic energy and the work-energy theorem (KE = ½ m v², 30.0 kg package at 0.500 m/s = 3.75 J, 120 N push with 5.00 N friction over 0.800 m = 92.0 J net, final speed 2.53 m/s, a car at 100 km/h has four times the KE it has at 50 km/h)
- 7.3 Gravitational potential energy (ΔPE = m g h, reference level, path independence, 0.500 kg cuckoo clock weight raised 1.00 m = 4.90 J, 60.0 kg person landing stiffly from 3.00 m, roller coaster 20.0 m hill: 19.8 m/s, and 20.4 m/s with a 5.00 m/s start, mass cancels)
- 7.4 Conservative forces and potential energy (spring PE = ½ k x², 0.100 kg toy car, k = 250 N/m, 4.00 cm, 0.180 m rise)
- 7.5 Nonconservative forces (friction turns mechanical energy into thermal energy)
- 7.6 Conservation of energy (statement of the law, forms of energy, Table 7.1: 1000 kg car at 90 km/h 3.1 × 10⁵ J, tennis ball at 100 km/h 22 J, mosquito 1.3 × 10⁻⁶ J, daily food intake 1.2 × 10⁷ J, 1 gallon gasoline 1.2 × 10⁸ J, 1 g fat 3.9 × 10⁴ J; efficiency, Table 7.2: cycling and climbing 20%, swimming at the surface 2%, gasoline engine 30%, diesel 35%, coal power plant 42%, electric motor 98%, solar cell 10%)
- 7.7 Power (P = W ÷ t, 1 W = 1 J/s, 1 hp = 746 W, 60.0 kg woman up 3.00 m stairs in 3.50 s reaching 2.00 m/s = 538 W, Table 7.3: Sun 4 × 10²⁶ W, car 8 × 10⁴ W, person at rest 100 W, heart at rest 8 W, clothes dryer 4 × 10³ W, a 60 W incandescent bulb gives 5 W of light, power plants turn 35 to 40% of fuel energy into electricity, E = P t, 0.200 kW computer 6.00 h a day for 30.0 days = 36.0 kWh, $4.32 at $0.120 per kWh)
- g = 9.8 m/s² as in OpenStax examples (NIST standard gravity 9.80665 m/s², physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?gn).
Consulté le: 2026-10-17