Energie d'un système

Cette fiche présente certaines notions essentielles pour faire le bilan énergétique d'un système.

I. Notion d'énergie

$\bullet\quad$L'énergie est une grandeur physique exprimant la capacité d'un système à effectuer une action, par exemple :
$\quad\circ\quad$ Fournir un travail (mécanique) ;
$\quad\circ\quad$ Chauffer un corps ;
$\quad\circ\quad$ Ou encore émettre de la lumière.

$\bullet\quad$L'unité internationale d'énergie est le joule ($J$).

$\bullet\quad$L'énergie d'un système se décompose en deux parties :
$\quad\circ\quad$ l'énergie mécanique macroscopique (énergie cinétique et énergie potentielle) ;
$\quad\circ\quad$ l'énergie mécanique microscopique des atomes (ou molécules) constituant le système.

II. Énergie mécanique macroscopique

$\bullet\quad$L'énergie mécanique (macroscopique) se manifeste à notre échelle et comprend :
$\quad\circ\quad$ l'énergie cinétique (énergie de mouvement).
$\quad\circ\quad$ Les énergies potentielles d'interaction (énergies de position), comme l'énergie potentielle de pesanteur.

$\bullet\quad$Elle a déjà été étudiée en classe de première et peut être révisée grâce à cette fiche :

Energies cinétique et potentielle, forces conservatives et théorème de l'énergie cinétique

III. Énergie mécanique microscopique (énergie interne)

$\bullet\quad$Un système contient également une autre forme d'énergie, appelée énergie interne et notée $U$ : elle correspond à l'énergie mécanique du système à l'échelle microscopique. Elle comprend :
$\quad\circ\quad$ L'énergie cinétique des constituants microscopiques du système (atomes/molécules).
$\quad\circ\quad$ Les énergies potentielles d'interaction au niveau microscopique.

1. Agitation thermique et température absolue

$\bullet\quad$Dans un corps solide, liquide ou gazeux, les constituants de la matière sont constamment en mouvement (par rapport au centre de masse) et ont donc une certaine énergie mécanique :
$\quad\circ\quad$ Dans le cas simple d'un gaz parfait monoatomique (de l'hélium par exemple), cette énergie est la somme de l'énergie cinétique de translation des atomes du gaz.
$\quad\circ\quad$ Dans un solide, l'énergie provient de la vibration des atomes (ou molécules) autour de leur position moyenne.
$\quad\circ\quad$ La situation dans un liquide est intermédiaire entre le gaz et le solide, avec des interactions intermoléculaires mais aussi des déplacements d'atomes (ou de molécules).
$\quad\circ\quad$ Dans le cas de molécules, il faut aussi prendre en compte l'énergie cinétique de rotation ainsi que l'énergie de vibration des atomes au sein des molécules, comme le montre l'animation ci-dessous :

_{Agitation thermique d'une molécule (d'après Wikipédia, article "Energie thermique")}

$\bullet\quad$La température absolue d'un corps (en K) est une mesure de l'énergie moyenne d'agitation des constituants microscopiques du corps : on parle d'agitation thermique.

$\bullet\quad$L'agitation thermique (et donc l'énergie interne d'un corps) augmente avec la température. Ainsi, pour un gaz parfait monoatomique, la température absolue est proportionnelle à l'énergie cinétique moyenne des atomes dans le gaz.

$\bullet\quad$La température absolue est toujours positive. Un corps dont les constituants n'auraient aucune agitation thermique aurait une température absolue de $0~K$, appelée zéro absolu ($-273^oC$) : la matière y serait complètement figée.

$\bullet\quad$Remarque : en réalité, cet état ne peut être atteint pour des raisons relevant de la théorie quantique. Certains systèmes peuvent toutefois se rapprocher très près du zéro absolu, en laboratoire.

2. Autres énergies microscopiques

$\bullet\quad$L'énergie interne comprend également d'autres types d'énergies potentielles liées aux interactions entre constituants de la matière.

$\bullet\quad$Citons notamment :
$\quad\circ\quad$ L'énergie chimique (énergie de liaisons moléculaires) ;
$\quad\circ\quad$ L'énergie nucléaire.

III. Énergie et variation d'énergie

$\bullet\quad$L'énergie totale d'un système peut se mettre sous la forme générale suivante :

$\boxed{E_{\text{totale}} = E_m + \textcolor{blue}{U} = E_c + E_p + \textcolor{blue}{U}}$

$\bullet\quad$La valeur de l'énergie d'un système n'est connue qu'à une constante près : elle n'a pas de sens physique $\Rightarrow$ seule la variation de l'énergie a un sens physique :

$\boxed{\Delta E = \Delta E_m + \Delta U}$

$\bullet\quad$Lors de l'étude d'un système :
$\quad\circ\quad$ On ne retient donc que les énergies qui peuvent varier lors des transformations.
$\quad\circ\quad$ On s'appuie sur les lois de la physique pour calculer les variations d'énergie ($\Delta U$, par exemple).

$\bullet\quad$Dans de très nombreux cas, la variation d'énergie a donc une expression simple, comme nous allons le voir par la suite.

_{= Merci à krinn pour avoir contribué à l'élaboration de cette fiche =}