La conservation de l’énergie est l’un des principes les plus importants et universels de la physique, s’appliquant à tous les systèmes et processus, qu’ils soient naturels ou artificiels. Ce principe établit que l'énergie n'est ni créée ni détruite, mais plutôt transformée d'une forme à une autre. La quantité totale d'énergie dans un système fermé reste constante.
Ci-dessous, nous explorerons 11 exemples d’économie d’énergie dans différents contextes, illustrant comment ce principe s’applique dans la vie quotidienne et dans la nature.
1. Conversion d'énergie dans des montagnes russes
Les montagnes russes sont un excellent exemple d’économie d’énergie. Au début du trajet, la voiture des montagnes russes est traînée jusqu'au sommet de la première colline, accumulant de l'énergie potentielle gravitationnelle en raison de sa hauteur. Au fur et à mesure que la voiture descend, cette énergie potentielle est convertie en énergie cinétique, ce qui augmente la vitesse de la voiture.
Au bas de la colline, presque toute l’énergie potentielle a été convertie en énergie cinétique. Au fur et à mesure que la voiture gravit la colline suivante, l’énergie cinétique est reconvertie en énergie potentielle. Dans un système idéal sans friction, la somme de l’énergie potentielle et de l’énergie cinétique resterait constante tout au long du trajet.
En réalité, une partie de l'énergie est dissipée sous forme de chaleur et de son à cause du frottement, mais le principe de conservation de l'énergie reste valable : l'énergie (potentielle) initiale totale est transformée, mais pas perdue.
2. Conservation de l'énergie dans une centrale nucléaire
Dans une centrale nucléaire, le principe d'économie d'énergie est clairement respecté. Le processus commence par la fission nucléaire, dans laquelle les noyaux d'atomes lourds comme l'uranium ou le plutonium se divisent en noyaux plus légers, libérant une grande quantité d'énergie. Cette énergie libérée lors de la fission se manifeste principalement sous forme de chaleur. La chaleur générée est utilisée pour transformer l’eau en vapeur, qui entraîne ensuite des turbines reliées à des générateurs électriques.
L'énergie nucléaire initiale contenue dans le combustible nucléaire est ainsi transformée en énergie thermique et, enfin, en énergie électrique utilisable à diverses fins. Bien que des déchets radioactifs soient produits, la quantité totale d'énergie est conservée tout au long du processus de transformation.
3. Transformation énergétique dans une centrale hydroélectrique
Les centrales hydroélectriques exploitent l’énergie potentielle de l’eau stockée dans un barrage. Lorsque l’eau est libérée, elle circule dans des turbines, convertissant l’énergie potentielle gravitationnelle en énergie cinétique à mesure que l’eau tombe. Les turbines tournent et cette énergie cinétique est transformée en énergie mécanique. Cette énergie mécanique est ensuite convertie en énergie électrique grâce à des générateurs.
Bien que l'énergie soit transformée plusieurs fois, de l'énergie potentielle de l'eau à l'énergie électrique, la quantité totale d'énergie reste constante, démontrant la conservation de l'énergie.
4. L'énergie dans une voiture en mouvement
Une voiture se déplaçant à vitesse constante illustre également la conservation de l’énergie. Le moteur de la voiture convertit l’énergie chimique du carburant en énergie mécanique, qui est utilisée pour déplacer la voiture. Lorsque la voiture se déplace, l'énergie cinétique du véhicule est le résultat de cette conversion. De plus, une partie de l’énergie chimique est dissipée sous forme de chaleur dans le moteur et les freins, et une partie est convertie en énergie sonore.
Malgré ces transformations, l'énergie totale est conservée : l'énergie chimique du combustible a été transformée en d'autres formes d'énergie, mais n'a pas été créée ni détruite.
5. L'énergie dans une réaction chimique
Dans les réactions chimiques, comme la combustion du bois, la conservation de l’énergie est un principe clé. Lorsque le bois brûle, l’énergie chimique stockée dans les liaisons moléculaires est libérée sous forme de chaleur et de lumière. Cette énergie thermique peut être utilisée pour chauffer un espace ou cuire des aliments.
Au cours de la réaction, les atomes se réorganisent pour former de nouveaux produits (tels que le dioxyde de carbone et l'eau), mais la quantité totale d'énergie avant et après la réaction reste la même. L'énergie chimique a été transformée, mais elle n'a été ni perdue ni créée.
6. Conversion d'énergie dans une ampoule
Lorsque nous allumons une ampoule, une série de transformations énergétiques se produisent qui illustrent le principe de conservation de l’énergie. L'énergie électrique qui alimente l'ampoule est convertie en énergie thermique et lumineuse. Dans une ampoule à incandescence, une grande partie de l’énergie électrique est convertie en chaleur en raison de la résistance du filament, et le reste est converti en lumière visible.
Dans les ampoules LED, la conversion est plus efficace, avec moins d’énergie transformée en chaleur et davantage en lumière.
Dans les deux cas, l’énergie totale fournie est conservée, transformée en d’autres formes d’énergie.
7. Énergie dans la photosynthèse
La photosynthèse est un processus fondamental dans la nature qui démontre la conservation de l'énergie. Les plantes captent l’énergie lumineuse du soleil et la convertissent en énergie chimique sous forme de glucose, qu’elles stockent dans leurs tissus. Cette énergie chimique est utilisée pour alimenter la croissance et la reproduction des plantes.
L’énergie solaire n’est donc pas détruite, mais transformée en énergie chimique, qui peut ensuite être consommée par d’autres organismes de la chaîne alimentaire. Pendant la photosynthèse, l'énergie lumineuse est conservée en la convertissant en une forme utilisable par les plantes.
8. Le principe de conservation de l’énergie éolienne
Dans un parc éolien, le vent déplace les pales des éoliennes, convertissant l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique. Cette énergie mécanique est ensuite transformée en énergie électrique grâce à un générateur. Même si une partie de l’énergie est perdue sous forme de chaleur à cause du frottement, l’énergie totale est conservée. L’énergie cinétique initiale du vent a été transformée en énergie électrique, qui peut être utilisée pour alimenter les maisons, les industries et d’autres appareils.
Ce processus montre comment l'énergie cinétique du vent est convertie en formes d'énergie utiles sans qu'elle soit perdue dans le processus global.
9. Conversion d'énergie dans une cellule solaire
Les cellules solaires convertissent l'énergie lumineuse du soleil en énergie électrique. Lorsque la lumière du soleil frappe une cellule solaire, les photons (particules lumineuses) transfèrent leur énergie aux électrons du matériau semi-conducteur de la cellule, générant ainsi un flux de courant électrique. Ce processus, connu sous le nom d'effet photovoltaïque, est un exemple clair d'économie d'énergie, où l'énergie lumineuse est directement transformée en énergie électrique.
L’énergie totale est conservée, elle est simplement transformée pour pouvoir être utilisée pour alimenter des appareils électriques.
10. L'énergie thermique dans un moteur à combustion interne
Dans un moteur à combustion interne, comme une voiture, l'énergie chimique du carburant (comme l'essence ou le diesel) est convertie en énergie thermique lors de la combustion. Cette énergie thermique augmente la pression dans les cylindres du moteur, entraînant les pistons et convertissant l'énergie thermique en énergie mécanique qui déplace la voiture.
Dans ce processus, une partie de l’énergie chimique du carburant est convertie en chaleur et une autre partie en énergie mécanique utilisée pour le mouvement du véhicule. Bien que toute l’énergie ne soit pas convertie en travail utile (en raison des pertes dues au frottement, à la chaleur et à d’autres formes de dissipation d’énergie), l’énergie totale du système est conservée.
L’énergie chimique originelle a simplement été transformée sous différentes formes, illustrant là encore le principe de conservation de l’énergie.
11. L'énergie dans un simple pendule
Un simple pendule, comme celui d’une vieille horloge, démontre également la conservation de l’énergie. Lorsque le pendule passe de sa position d’équilibre à un point haut, l’énergie cinétique du pendule diminue tandis que son énergie potentielle gravitationnelle augmente.
Au point culminant de son oscillation, toute l’énergie cinétique a été transformée en énergie potentielle. Lorsque le pendule revient vers le bas, l’énergie potentielle est reconvertie en énergie cinétique.
Ce processus d'échange entre l'énergie cinétique et potentielle se poursuit, l'énergie totale (somme de l'énergie cinétique et potentielle) restant constante en l'absence de forces dissipatives telles que le frottement de l'air.