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Centrale nucléaire Isar, Allemagne

Piscine de combustible nucléaire usé

Turbine d'une centrale nucléaire

Qu'est-ce que l'énergie ?

Qu'est-ce que l'énergie ?

L'énergie est une quantité physique scalaire. L'énergie est une mesure unique de diverses formes de mouvement et d'interaction de la matière, une mesure de la transition de la matière d'une forme à une autre. L'introduction du concept d'énergie est importante car si le système physique est fermé, alors son énergie est stockée dans ce système pendant le temps pendant lequel le système sera fermé.

Un système fermé est un système qui n'échange pas d'énergie avec l'extérieur. Cette déclaration s'appelle la loi de conservation de l'énergie: l'énergie n'est ni créée ni détruite, elle ne peut que se transformer. Il n'est possible de convertir qu'un type d'énergie en un autre type d'énergie. Par exemple, l'énergie nucléaire dans l'énergie électrique.

Généralement, l'énergie est désignée par le symbole E. Pour indiquer la quantité de chaleur (la quantité d'énergie transmise par transfert de chaleur), le symbole Q est généralement utilisé. Pour désigner le travail comme la quantité d'énergie transférée, généralement on utilise le symbole W. Le symbole U est généralement utilisé pour indiquer l'énergie interne du corps (l'origine du symbole doit être précisée).

Types d'énergie

L'énergie peut être présentée sous différentes formes qui, par le principe de la conservation de l'énergie, peuvent être transformées les unes dans les autres. Par conséquent, nous pouvons parler de différents types d'énergie plus en fonction de leurs effets que de leur origine naturelle. En ce sens, l'énergie peut être classée comme mécanique, thermodynamique, électromagnétique et nucléaire.

Définition de l'énergie mécanique

L'énergie mécanique est due aux variables géométriques et dynamiques du système, d'un point de vue macroscopique, et est celle qui répond au schéma mathématique le plus simple.

La définition de l'énergie mécanique dans un corps matériel de masse constante (m) est la somme de son énergie cinétique et de son énergie potentielle. L'énergie cinétique est proportionnelle à la vitesse du corps tandis que l'énergie potentielle dépend de la position du corps dans le champ de force environnant. Ainsi, dans le cas de la chute libre, la position serait déterminée par la hauteur et le champ de force par la force de gravité. L'énergie de déformation potentielle due aux propriétés élastiques d'un corps déformé tel qu'un ressort comprimé pourrait également être considérée.

Définition de l'énergie thermodynamique

La définition de l'énergie thermodynamique a un sens d'un point de vue moléculaire. En tenant compte des variables thermodynamiques, on peut définir l'énergie interne U d'un système comme la somme des énergies cinétiques des molécules qui le composent et de l'énergie potentielle des forces entre elles. Chacun des atomes ou molécules d'un corps ou d'une substance est en mouvement continu, qu'il soit de rotation, de translation ou de vibration, par rapport à la position d'équilibre, plus ou moins intense selon la température. De ce point de vue, nous pouvons affirmer que l'énergie thermique est équivalente à l'énergie cinétique des molécules, telle que formulée par L. Boltzmann dans sa théorie cinétique des gaz.

L'énergie interne n'est pas une quantité mesurable absolue, mais seules les variations d'énergie entre deux états du système (premier principe de la thermodynamique) sont mesurées.

Le nom qui lui est donné dépend de la manifestation de cette énergie ou de la nature du phénomène qui la génère. Nous définissons

  • énergie de liaison ou énergie de formation la différence entre l'énergie d'une molécule et celle des atomes qui la forment (liaison),
  • énergie de dissociation l'énergie libérée lors de la dissociation d'un composé,
  • énergie d'activation l'augmentation de l'énergie requise pour qu'une réaction chimique (énergie d'activation) se produise et
  • énergie de résonance la différence entre l'énergie de formation théorique et l'énergie de formation réelle d'un composé résonnant (résonance).

L'énergie libre relie la variation de l'énergie interne (U) ou de l'enthalpie (H) à la variation de l'entropie (S) d'un système et sert à indiquer dans quelle direction le système évoluera spontanément (affinité).

Définition de l'énergie électromagnétique

La définition de l'énergie électromagnétique est l'énergie dérivée de la nature électromagnétique de la matière.

L'énergie électromagnétique se manifeste essentiellement de deux manières: se transformant en énergie cinétique de charges électriques qui se trouvent dans sa zone d'influence - qui peuvent être converties en chaleur (effet Joule) ou en énergie mécanique (moteurs électriques) - ou se propageant sous forme d'énergie rayonnante à l'extérieur du milieu où il a été généré sous forme d'ondes électromagnétiques - qui peuvent ensuite être converties en énergie lumineuse, etc. - ou encore, à l'échelle atomique, émettant des particules porteuses d'une certaine quantité d'énergie déterminée par l'équation de Planck (effet photoélectrique).

Définition de l'énergie nucléaire

Énergie nucléaireLa dernière définition de l'énergie est l'énergie nucléaire. Ce type d'énergie maintient les composants du noyau atomique très proches les uns des autres. La masse d'un noyau atomique est inférieure à la somme des masses des particules élémentaires qui le forment (défaut de masse). Ce défaut de masse est dû à l'apparition d'une énergie de cohésion absorbée par la structure nucléaire et qui peut être calculée à l'aide de la théorie de la relativité d'Einstein.

Cette énergie peut être libérée sous forme d'énergie rayonnante et d'énergie cinétique des particules qui sont expulsées du noyau.

Énergies renouvelables et énergies non renouvelables

Il existe également deux définitions de l'énergie qui se réfèrent à la forme d'utilisation. En ce sens, nous pouvons distinguer les énergies renouvelables et les énergies non renouvelables. Habituellement, nous nous référons à ces deux définitions pour parler de la production d'énergie électrique, mais l'utilisation de ces types d'énergie n'est pas toujours pour produire de l'électricité.

L'énergie renouvelable est l'énergie qui provient de sources inépuisables. Quelques exemples de ce type d'énergie sont l'énergie solaire (photovoltaïque et thermique), l'énergie éolienne, l'énergie hydraulique.

L'énergie non renouvelable est une énergie qui provient de sources limitées. Dans les énergies non renouvelables, la consommation de ce type d'énergie est supérieure à sa capacité de régénération. Quelques exemples de ce type d'énergie sont les combustibles fossiles (charbon, pétrole et gaz naturel) et l'énergie nucléaire, entre autres. Dans le cas de l'énergie nucléaire, et plus particulièrement de la fission nucléaire, bien qu'une grande quantité d'énergie puisse être obtenue par unité de combustible nucléaire, l'uranium est une ressource naturelle limitée qui ne se régénère pas d'elle-même.

Comment l'énergie est-elle utilisée? Usages et applications de l'énergie

L'utilisation de l'énergie comme source de travail a toujours été un besoin essentiel pour l'homme et l'un des facteurs fondamentaux du développement économique moderne et du progrès technique.

Jusqu'au début de la révolution industrielle, à l'exception des expériences isolées, l'homme utilisait comme sources d'énergie, la force musculaire, l'énergie hydraulique et l'énergie éolienne pour la production de travaux mécaniques, et les combustibles végétaux pour obtenir de la chaleur. C'étaient jusque-là les seules ressources utilisées pour obtenir de l'énergie, bien qu'avec le temps ces systèmes aient été perfectionnés pour atteindre des rendements plus élevés (utilisation plus rationnelle des animaux, amélioration des techniques de navigation, invention de la roue hydraulique, etc.)

Le principe de développement des techniques d'exploitation de l'énergie a été l'apparition de la machine à vapeur et la transformation de la roue hydraulique en turbine. Plus tard, la construction des premiers moteurs à combustion a donné l'impulsion finale pour obtenir l'énergie mécanique de la chaleur.

Aujourd'hui, les sources d'énergie les plus utilisées sont les chutes d'eau, les combustibles et la fission nucléaire, et, ce qui est moins important, l'énergie solaire, éolienne, géothermique et marémotrice.

L'exploitation de l'énergie hydraulique nécessite des conditions topographiques et hydrographiques adéquates et la construction de réservoirs et de machines à grande échelle afin d'atteindre des rendements énergétiques acceptables (qui peuvent atteindre 80% ou plus de l'énergie potentielle du eau) Généralement toujours pour la production d'énergie électrique.

La source d'énergie la plus importante est constituée par les carburants qui ont connu une croissance exponentielle ces dernières années. Les performances maximales sont bien inférieures à celles obtenues par l'énergie hydraulique mais sa forte concentration d'énergie explique le développement considérable subi. La chaleur obtenue des combustibles est directement utilisée ou convertie en énergie mécanique (moteurs, turbines ...) et également pour obtenir de l'énergie électrique par des moyens électrochimiques (pile à combustible).

Le troisième type d'énergie le plus utilisé est l'énergie nucléaire, qui est généralement obtenue par fission des noyaux de substances telles que l'uranium, le plutonium, le thorium, etc ... La technologie des réactions de fusion nucléaire n'est pas encore suffisamment développée pour permettre une exploitation industrielle et n'est utilisé que dans les laboratoires expérimentaux et les applications militaires. L'énergie obtenue en fission nucléaire se manifeste sous forme de chaleur, et atteint des températures beaucoup plus élevées que celles obtenues avec des combustibles conventionnels, cependant, les rendements qui peuvent actuellement être obtenus sont encore très faibles (de l'ordre de 30% ). L'énergie nucléaire a une application fondamentale dans la production d'énergie électrique et dans la propulsion de navires.

Histoire de l'étude de l'énergie

La notion d'énergie apparaît pour la première fois dans les recherches de Joule et Carnot sur la conversion de la chaleur en travail mécanique et grâce à la théorie d'Helmholtz dans laquelle elle relie le travail effectué par un système isotherme à l'énergie interne et l'entropie. de ce système. De cette façon, l'énergie n'est pas seulement liée au concept de travail mécanique, mais aussi au travail électrique, chimique ou calorifique. Pour cette raison, nous pouvons parler d'énergie électrique, d'énergie chimique et d'énergie thermique.

En même temps, on peut dire que si une certaine quantité de travail, ou une partie équivalente de ce travail, disparaît dans un système physique isolé, faisant partie de différentes formes d'énergie, la même quantité de travail doit apparaître sous d'autres formes d'énergie selon la définition de loi de conservation de l'énergie.

À la suite des enquêtes menées par William Thomson et RJE Clausius au milieu de l'art. XIX, le processus de dégradation de l'énergie est devenu évident, c'est-à-dire que le travail utile qui peut être obtenu dans un système isolé ne conserve pas toute l'énergie mais qu'il y a une partie de cette énergie qui est dégradée (entropie, deuxième principe de la thermodynamique). Plus tard, et suivant la théorie de A. Einstein sur l'équivalence entre la masse et l'énergie (1905), le principe de conservation a été étendu, et il n'y a actuellement aucune différence entre la conservation de la masse et la conservation de l'énergie donnant lieu à La théorie de la relativité, la loi de conservation.

En 1900, Max Planck a donné l'explication de nombreux phénomènes jusque-là inexpliqués par la théorie des quanta énergétiques (mécanique quantique), qui était l'apport d'un concept fondamental pour la connaissance de l'énergie.

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Dernier examen: 10 février 2020