La loi de conservation de l’énergie, également connue sous le nom de première loi de la thermodynamique, est l’un des concepts fondamentaux de la physique qui régit notre univers.
Tout au long de l’histoire des sciences, cette loi a constitué un pilier fondamental qui nous a permis de comprendre et d’expliquer un large éventail de phénomènes naturels.
Origine et auteur
L'idée de conservation de l'énergie a commencé à prendre forme au XIXe siècle grâce aux travaux de scientifiques tels que Julius Robert Mayer, James Joule et Hermann von Helmholtz. Ces chercheurs ont réalisé des études exhaustives sur la conversion de l'énergie thermique en énergie mécanique et vice versa.
Cependant, la formulation la plus connue de cette loi est attribuée à Rudolf Clausius et William Thomson (Lord Kelvin) au milieu du XIXe siècle.
Qu'établit la loi de conservation de l'énergie ?
Cette loi stipule que l’énergie ne peut être créée ou détruite, mais seulement transformée d’une forme à une autre. Autrement dit, la quantité totale dans un système isolé ne varie pas avec le temps.
Cela signifie qu'en l'absence de forces extérieures, l'énergie totale d'un système est conservée, même s'il subit des transformations d'un type d'énergie à un autre. Par exemple, dans un système fermé, l’énergie mécanique peut être convertie en énergie thermique en raison du frottement, mais la somme totale des deux formes d’énergie restera constante.
De la mécanique newtonienne
En mécanique newtonienne, le principe de conservation stipule que : « L’énergie mécanique totale d’un système fermé de corps, entre lesquels agissent seules les forces internes du système, reste constante. »
En termes simples, en l'absence de forces dissipatives (par exemple les forces de friction), l'énergie ne surgit pas de rien et ne peut pas disparaître. Ils ne peuvent être convertis qu’en d’autres types d’énergie.
De la thermodynamique
En thermodynamique, la loi de conservation est formulée comme la première loi de la thermodynamique : « La quantité de chaleur reçue par le système est utilisée pour modifier son énergie interne et effectuer un travail contre les forces externes. »
La loi de conservation de l’énergie stipule qu’il n’existe pas de machines à mouvement perpétuel du premier type. Sadi Carnot a montré que de tels processus sont impossibles.
Exemples de loi
Pour mieux comprendre la loi de conservation de l’énergie, il est utile de voir quelques exemples concrets de son fonctionnement dans des situations quotidiennes et scientifiques :
Pendule simple
Imaginez un simple pendule, comme un pendule d’horloge. Lorsque vous soulevez le pendule à une certaine hauteur et que vous le relâchez, il commence à osciller d'avant en arrière. À mesure qu’il descend, son énergie potentielle gravitationnelle diminue, mais son énergie cinétique augmente.
La somme de l'énergie potentielle et cinétique à tout moment de son mouvement sera toujours constante s'il n'y a pas de forces de friction ou de résistance de l'air impliquées.
Chute libre
Lorsque vous laissez tomber un objet d’une certaine hauteur, son énergie potentielle gravitationnelle est convertie en énergie cinétique lors de sa chute.
La loi de conservation de l’énergie stipule que la somme de ces deux formes d’énergie est constante durant la chute.
voiture en mouvement
Lorsqu’une voiture se déplace à une certaine vitesse constante, elle possède de l’énergie cinétique due à son mouvement.
Si le conducteur coupe le moteur, la voiture continuera à bouger en raison de l'inertie et son énergie cinétique restera constante jusqu'à ce qu'une certaine force de friction se produise, comme le freinage, qui convertit l'énergie cinétique en énergie thermique grâce à la chaleur générée par les roues. freins.
Transformation énergétique dans une centrale électrique
Dans une centrale thermique conventionnelle, l'énergie chimique stockée dans le combustible (comme le charbon ou le gaz) est convertie en énergie thermique par combustion. Cette énergie thermique est ensuite utilisée pour chauffer de l'eau et produire de la vapeur, qui entraîne une turbine reliée à un générateur électrique. L'énergie thermique est transformée en énergie mécanique dans la turbine et enfin en énergie électrique dans le générateur.
De la même manière, une centrale nucléaire peut réaliser le même processus mais au lieu de partir de l'énergie chimique des combustibles fossiles, l'énergie thermique est obtenue à partir de l'énergie nucléaire obtenue par fission d'un atome.
Dans les deux cas, au cours de toutes ces transformations, l’énergie totale est conservée, même si elle change de forme.
Réaction nucléaire au Soleil
Au cœur du Soleil se produit une réaction nucléaire appelée fusion nucléaire, dans laquelle les noyaux d’hydrogène se combinent pour former de l’hélium.
Au cours de cette réaction, une petite quantité de masse est convertie en énergie, selon la célèbre équation d'Einstein, E=mc 2 . L’énergie libérée sous forme de lumière et de chaleur est constante, ce qui permet au Soleil de briller pendant des milliards d’années.
Un manège
Une voiture de montagnes russes effectue plusieurs conversions d’énergie potentielle et d’énergie cinétique à chaque trajet. Lorsqu’elle est au plus haut, presque toute l’énergie est de l’énergie potentielle gravitationnelle. Puis, à mesure qu’elle diminue, la vitesse augmente et l’énergie se transforme en énergie cinétique.
Importance en physique
La loi de conservation de l’énergie est un pilier fondamental de la physique et a un large éventail d’applications dans diverses branches scientifiques. Certains des domaines dans lesquels cette loi joue un rôle crucial comprennent :
- Physique thermodynamique : La thermodynamique, branche de la physique qui étudie les relations entre la chaleur, le travail et l'énergie, repose sur la loi de conservation de l'énergie. Cette loi permet de comprendre le fonctionnement des moteurs, des moteurs thermiques et des systèmes de refroidissement.
- Mécanique : En mécanique classique, la conservation de l'énergie est utilisée pour résoudre des problèmes liés à la cinématique et à la dynamique des objets en mouvement. L'énergie cinétique et potentielle sont des exemples de formes d'énergie dont la conservation est essentielle dans ce contexte.
- Électrodynamique et électromagnétisme – Ce principe s’applique également dans le domaine de l’électricité et du magnétisme. Dans les circuits électriques par exemple, l’énergie électrique est transformée en énergie lumineuse dans les ampoules ou en énergie thermique dans les appareils de chauffage.
- Physique nucléaire : En physique nucléaire, cette loi est essentielle pour comprendre les réactions nucléaires et l'énergie libérée dans des processus tels que la fusion et la fission nucléaire.