Conservation et transformation de l'énergie
Le concept de conservation de l'énergie
Une loi fondamentale qui a été observée pour tous les phénomènes naturels nécessite la conservation de l'énergie, c'est-à-dire que l'énergie totale ne change pas dans tous les nombreux changements qui se produisent dans la nature. La conservation de l'énergie n'est pas une description d'un processus en cours dans la nature, mais plutôt une déclaration selon laquelle la quantité appelée énergie reste constante, peu importe quand elle est évaluée ou quels processus — y compris éventuellement les transformations d'énergie d'une forme à une autre— continuer entre les évaluations successives.
La loi de conservation de l'énergie s'applique non seulement à la nature dans son ensemble, mais aussi aux systèmes fermés ou isolés dans la nature. Ainsi, si les limites d'un système peuvent être définies de manière à ce qu'aucune énergie ne soit ajoutée ou retirée du système, alors l'énergie doit être conservée à l'intérieur de ce système, quels que soient les détails des processus en cours à l'intérieur des limites du système. Un corollaire de cette déclaration de système fermé est que chaque fois que l'énergie d'un système telle que déterminée dans deux évaluations successives n'est pas la même, la différence est une mesure de la quantité d'énergie qui a été ajoutée ou retirée du système dans le intervalle de temps qui s'écoule entre les deux évaluations.
L'énergie peut exister sous de nombreuses formes au sein d'un système et peut être convertie d'une forme à une autre sous la contrainte de la loi de conservation. Ces différentes formes comprennent l'énergie gravitationnelle, cinétique, thermique, élastique, électrique, chimique, rayonnante, nucléaire et de masse. C'est l'applicabilité universelle du concept d'énergie, ainsi que l'intégralité de la loi de sa conservation sous différentes formes, qui le rendent si attrayant et utile.
Transformation d'énergie
Un système idéal
Un exemple simple d'un système dans lequel l'énergie est convertie d'une forme à une autre est fourni par le lancement d'une balle de masse m dans l'air. Lorsque la balle est lancée verticalement depuis le sol, sa vitesse et donc son énergie cinétique diminue régulièrement jusqu'à ce qu'elle s'arrête momentanément à son point le plus haut. Il s'inverse ensuite, et sa vitesse et son énergie cinétique augmentent régulièrement lorsqu'il retourne au sol. L'énergie cinétique E k de la balle au moment où il quitte le sol (point 1) est la moitié du produit de la masse et au carré de la vitesse, ou 1 / 2 mv 1 2, et a diminué régulièrement jusqu'à zéro au point le plus élevé (point 2). Lorsque la balle s'est élevée dans l'air, elle a gagné l'énergie potentielle gravitationnelle E p. Le potentiel dans ce sens ne signifie pas que l'énergie n'est pas réelle mais plutôt qu'elle est stockée sous une forme latente et peut être utilisée pour faire du travail. L'énergie potentielle gravitationnelle est l'énergie qui est stockée dans un corps en raison de sa position dans le champ gravitationnel. On observe que l'énergie potentielle gravitationnelle d'une masse m est donnée par le produit de la masse, la hauteur h atteinte par rapport à une certaine hauteur de référence et l'accélération g d'un corps résultant de l'attraction de la gravité terrestre, ou mgh. A l'instant où la balle quitte le sol à la hauteur h 1, son énergie potentielle E p1 est mgh 1. A son point culminant, son énergie potentielle E p2 est de 2 mgh. En appliquant la loi de conservation de l'énergie et en supposant qu'il n'y a pas de frottement dans l'air, ceux-ci s'additionnent pour former les équations suivantes:
Dans cet exemple idéalisé, l'énergie cinétique de la balle au niveau du sol est convertie en travail pour élever la balle à h 2 où son énergie potentielle gravitationnelle a été augmentée de mg (h 2 - h 1). Comme la balle retombe au niveau du sol h 1, cette énergie potentielle gravitationnelle est de retour convertie en énergie cinétique et de son énergie totale à h 1 est de nouveau 1 / 2 mv 1 2 + MGH 1. Dans cette chaîne d'événements, l'énergie cinétique de la balle est inchangée à h 1; ainsi le travail effectué sur la balle par la force de gravité qui agit sur elle dans ce cycle d'événements est nul. Ce système serait conservateur.
