Pour aller plus loin sur les formes physiques d'énergie
Je vous propose de rentrer un peu plus dans les détails pour trois de ces formes physiques d'énergie. Comment les définit-on à l'échelle macroscopique ? Comment peut-on les interpréter à l'échelle microscopique ? Cela nous permettra de mieux comprendre la nature de chacune d'elles et de voir concrètement comment se calcule l'énergie mise en jeu dans quelques transformations courantes simples.
Energie mécanique
A partir de la notion de travail d'une force, nous pouvons introduire une première modalité de l'énergie mécanique, l'énergie potentielle dans le champ de l'attraction terrestre.
Pour un corps de masse m situé à une altitude h par rapport à une hauteur de référence, l'énergie potentielle est égale à
Ep = m g h
où g est l'accélération de la pesanteur (g = 9,81 m.s-2)
Fondamentalement, cette énergie est associée à la force gravitationnelle, dont l'attraction terrestre n'est qu'une manifestation, la plus immédiate pour les humains. Mais l'énergie potentielle se manifeste également dans d'autres contextes comme celui de la déformation de solides élastiques.
Une autre modalité de l'énergie mécanique est l'énergie cinétique qui est liée à la vitesse. L'énergie cinétique d'un solide ponctuel de masse m et de vitesse v est égale à
Ec = 1/2 m v2
Ces formules nous permettent par exemple d'évaluer l'énergie stockée dans un barrage hydraulique ou celle liée au débit d'un fleuve.
Pour un solide ponctuel, l'énergie mécanique est la somme de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle. Pour un solide indéformable non ponctuel il faut y ajouter l'énergie cinétique de rotation. L'énergie mécanique se conserve si le solide est soumis uniquement à des forces dites conservatives (par exemple en l'absence de frottement). En présence de frottements, une partie de l'énergie mécanique est progressivement dégradée en chaleur.
Energie chimique
L'énergie chimique est mise en jeu dans les réactions chimiques où les espèces chimiques présentes se combinent et/ou se dissocient pour former de nouvelles espèces.
Définition et nature physique microscopique :
A l'échelle microscopique, l'énergie chimique est associée au travail des forces de liaison entre les atomes d'une molécule par l'intermédiaire de leurs électrons périphériques. Ceci donne lieu à des échanges d'énergie, le plus souvent sous forme de chaleur : dégagement d'énergie (réaction exothermique comme la combustion) ou consommation d'énergie (réaction endothermique).
A l'échelle macroscopique, chaque réaction chimique, à une pression et température données, est caractérisée alors par une chaleur de réaction (ou enthalpie de réaction).
le PCI (pouvoir calorifique inférieur) d'un combustible est la quantité de chaleur libérée par la combustion complète d'une unité de masse du combustible. L'eau produite dans la réaction, lorsque le combustible contient de l'hydrogène, est supposée évacuée dans les fumées sous forme vapeur.
Par opposition, le PCS (pouvoir calorifique supérieur) correspond à une quantité de chaleur plus élevée supposant que la totalité de l'eau produite lors de la réaction est condensée sous forme liquide.
La différence entre PCS et PCI correspond à la chaleur latente de condensation de l'eau produite. Les chaudières à condensation permettent de récupérer tout ou partie de cette chaleur latente.
Exemple : la combustion du méthaneExemple
CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O + Chaleur
H2O vapeur : PCI
H2O liquide (vapeur condensée) : PCS
Le méthane, constituant principal du gaz naturel, a un PCI de 50 MJ/kg et un PCS de 55,5 MJ/kg soit une différence de 10%. Les autres hydrocarbures contiennent en proportion moins d'atomes d'hydrogène par rapport au carbone et l'écart PCS / PCI est moindre
Energie thermique
A l'échelle macroscopique, l'énergie thermique est mise en jeu dans les transformations d'un corps associée à un changement de température ou d'état physique, sans modification de composition chimique
Définition macroscopique et interprétation microscopique :
En cas de modification de température sans changement d'état, on parle de chaleur sensible.
Pour un corps incompressible de masse m (solide ou liquide) subissant une modification de température de T1 à T2, la chaleur qui lui est transmise est égale à
Q = m . cp . ( T2 – T1 )
Cette quantité peut être positive ou négative, selon que la température finale T2 est supérieure (ou inférieure) à la température initiale T1 et donc selon que le corps a gagné ou cédé de l'énergie thermique.
La grandeur cp est la capacité thermique massique du corps à pression constante (en J.kg-1.K-1). Elle correspond à la quantité de chaleur à fournir à ce corps pour élever sa température de 1 K (soit 1°C) ; en toute rigueur cp varie avec la température mais peut être considérée comme constante dans beaucoup d'opérations où la variation de température reste modérée.
Pour l'eau liquide entre 0°C et 100°C, on utilise la valeur classique de 4185 J.kg-1.K-1 .
En cas de changement d'état physique sans modification de température, on parle de chaleur latente. Par ex., l'ébullition de l'eau à pression atmosphérique normale à la température de 100°C nécessite l'apport de 2265 kJ/kg (à multiplier par la masse d'eau concernée). Cette chaleur est restituée à la condensation. La fusion de la glace à 0°C nécessite un apport de chaleur de 334 kJ/kg.
A l'échelle microscopique, l'énergie thermique est en fait une énergie cinétique liée à l'agitation désordonnée des molécules et atomes d'un corps, agitation qui croit avec la température. Cette agitation disparait à la température du zéro absolu (0 K).
