Énergie

mécanique classique

en mécanique classique, l’énergie est une propriété conceptuellement et mathématiquement utile, car elle est une quantité conservée. Plusieurs formulations de mécanique ont été développées en utilisant l’énergie comme concept de base.

Le Travail, fonction de l’énergie, est la force multipliée par la distance.,

W = C C F d d s {\displaystyle W=\int _{C}\mathbf {F} \cdot \mathrm {d} \mathbf {S} }

cela dit que le travail ( W {\displaystyle W} ) est égal à l’intégrale de la ligne de la force F le long d’un chemin C; pour plus de détails, voir l’article travail mécanique. Le travail et donc l’énergie dépendent du cadre. Par exemple, considérons une balle frappée par une chauve-souris. Dans le cadre de référence du centre de masse, la chauve-souris ne fonctionne pas sur la balle. Mais, dans le cadre de référence de la personne qui balance la chauve-souris, un travail considérable est effectué sur la balle.,

l’énergie totale d’un système est parfois appelée L’Hamiltonien, D’après William Rowan Hamilton. Les équations classiques du mouvement peuvent être écrites en termes D’Hamiltonien, même pour des systèmes très complexes ou abstraits. Ces équations classiques ont des analogues remarquablement directs en mécanique quantique non relativiste.

un autre concept lié à l’énergie est appelé le Lagrangien, d’après Joseph-Louis Lagrange. Ce formalisme est aussi fondamental que L’Hamiltonien, et les deux peuvent être utilisés pour dériver les équations du mouvement ou en dériver., Il a été inventé dans le contexte de la mécanique classique, mais est généralement utile en physique moderne. Le Lagrangien est défini comme l’énergie cinétique moins l’énergie potentielle. Habituellement, le formalisme de Lagrange est mathématiquement plus pratique que L’Hamiltonien pour les systèmes non conservateurs (tels que les systèmes à friction).

Le théorème de Noether (1918) stipule que toute symétrie différentiable de l’action d’un système physique a une loi de conservation correspondante. Le théorème de Noether est devenu un outil fondamental de la physique théorique moderne et du calcul des variations., Une généralisation des formulations séminales sur les constantes de mouvement en mécanique Lagrangienne et hamiltonienne (1788 et 1833, respectivement), il ne s’applique pas aux systèmes qui ne peuvent pas être modélisés avec un lagrangien; par exemple, les systèmes dissipatifs avec des symétries continues n’ont pas besoin d’avoir une loi de conservation correspondante.

Chimie

dans le contexte de la chimie, l’énergie est un attribut d’une substance en raison de sa structure atomique, moléculaire ou agrégée., Étant donné qu’une transformation chimique s’accompagne d’un changement dans un ou plusieurs de ces types de structure, elle s’accompagne invariablement d’une augmentation ou d’une diminution de l’énergie des substances impliquées. L’énergie est transférée entre l’environnement et les réactifs de la réaction sous forme de chaleur ou de la lumière; ainsi, les produits d’une réaction peut avoir plus ou moins d’énergie que les réactifs. Une réaction est dite exothermique ou exergonic si l’état final est plus bas sur l’échelle d’énergie de l’état initial; dans le cas de réactions endothermiques la situation est l’inverse., Les réactions chimiques ne sont généralement pas possibles à moins que les réactifs ne surmontent une barrière énergétique appelée énergie d’activation. La vitesse d’une réaction chimique (à une température donnée T) est liée à L’énergie D’activation E par le facteur de population de Boltzmann e−E/kT – c’est-à-dire la probabilité que la molécule ait une énergie supérieure ou égale à E à la température donnée T. cette dépendance exponentielle d’une vitesse de réaction à la température est connue L’énergie d’activation nécessaire pour une réaction chimique peut être fournie sous forme d’énergie thermique.,

Biologie

en biologie, l’énergie est un attribut de tous les systèmes biologiques, de la biosphère au plus petit organisme vivant. Dans l’organisme il est responsable de la croissance et le développement de la cellule biologique ou l’organite de l’organisme biologique., L’énergie utilisée dans la respiration est principalement stockée dans l’oxygène moléculaire et peut être débloquée par des réactions avec des molécules de substances telles que les glucides (y compris les sucres), les lipides et les protéines stockées par les cellules. En termes humains, l’équivalent humain (h-e) (conversion D’Énergie humaine) indique, pour une quantité donnée de dépense énergétique, la quantité relative d’énergie nécessaire au métabolisme humain, en supposant une dépense énergétique humaine moyenne de 12 500 kJ par jour et un taux métabolique de base de 80 watts., Par exemple, si notre corps fonctionne (en moyenne) à 80 watts, alors une ampoule fonctionnant à 100 watts fonctionne à 1,25 équivalents humains (100 ÷ 80), c’est-à-dire 1,25 H-E. Pour une tâche difficile de seulement quelques secondes, une personne peut éteindre des milliers de watts, plusieurs fois les 746 watts d’une puissance officielle. Pour les tâches de quelques minutes, un humain en forme peut générer peut-être 1 000 watts. Pour une activité qui doit être maintenue pendant une heure, la sortie tombe à environ 300; pour une activité maintenue toute la journée, 150 watts est à peu près le maximum., L’équivalent humain aide à la compréhension des flux d’énergie dans les systèmes physiques et biologiques en exprimant l’énergie unités en termes humains: il permet de « sentir » pour l’utilisation d’une quantité donnée d’énergie.

l’énergie rayonnante de la lumière du Soleil est également capturée par les plantes en tant qu’énergie potentielle chimique dans la photosynthèse, lorsque le dioxyde de carbone et l’eau (deux composés à faible énergie) sont convertis en glucides, lipides et protéines et en composés à haute énergie comme l’oxygène et L’ATP. Les glucides, les lipides et les protéines peuvent libérer l’énergie de l’oxygène, qui est utilisé par les organismes vivants comme accepteur d’électrons., La libération de l’énergie stockée pendant la photosynthèse sous forme de chaleur ou de lumière peut être déclenchée soudainement par une étincelle, dans un feu de forêt, ou elle peut être rendue disponible plus lentement pour le métabolisme animal ou humain, lorsque des molécules organiques sont ingérées et que le catabolisme est déclenché par l’action enzymatique.

tout organisme vivant dépend d’une source d’énergie externe – l’énergie rayonnante du soleil dans le cas des plantes vertes, l’énergie chimique sous une forme quelconque dans le cas des animaux – pour pouvoir se développer et se reproduire., Les 1500-2000 Calories quotidiennes (6-8 MJ) recommandées pour un adulte humain sont prises comme une combinaison d’oxygène et de molécules alimentaires, ces dernières principalement des glucides et des graisses, dont le glucose (C6H12O6) et la stéarine (C57H110O6) sont des exemples pratiques. Les molécules alimentaires sont oxydées en dioxyde de carbone et en eau dans les mitochondries

C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 ⟶ 6 CO 2 + 6 h 2 O {\displaystyle {\ce {C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O}}} C 57 H 110 O 6 + 81 5 5 O 2 ⟶ 57 CO 2 + 55 h 2 o {\Affichage Style {\ce {c57h110o6 + 81.,5O2 – > 57CO2 + 55h2o}}}

et une partie de l’énergie est utilisée pour convertir L’ADP en ATP.

ADP + HPO42 – → ATP + H2O

le reste de l’énergie chimique dans O2 et les glucides ou les graisses est converti en chaleur: L’ATP est utilisé comme une sorte de « monnaie énergétique », et une partie de l’énergie chimique qu’il contient est utilisée pour d’autres métabolismes lorsque L’ATP réagit avec les groupes OH et finit par se diviser en ADP et phosphate (à chaque étape d’une voie métabolique, une partie de l’énergie chimique est convertie en chaleur)., Seule une infime fraction de l’énergie chimique d’origine est utilisée pour le travail:

gain d’énergie cinétique d’un sprinter lors d’une course de 100 m: 4 kJ gain d’énergie potentielle gravitationnelle d’un poids de 150 kg soulevé à travers 2 mètres: 3 kJ apport alimentaire quotidien d’un adulte normal: 6-8 MJ

il semblerait que les organismes vivants soient remarquablement inefficaces (au sens physique) dans leur utilisation de l’énergie qu’ils reçoivent (énergie chimique ou radiante), et il est vrai que la plupart des machines réelles gèrent des rendements plus élevés., Dans les organismes en croissance, l’énergie convertie en chaleur sert un but vital, car elle permet au tissu de l’organisme d’être hautement ordonné en ce qui concerne les molécules à partir desquelles il est construit. La deuxième loi de la thermodynamique stipule que l’énergie (et la matière) a tendance à se répartir plus uniformément dans l’univers: pour concentrer l’énergie (ou la matière) dans un endroit spécifique, il est nécessaire de répartir une plus grande quantité d’énergie (sous forme de chaleur) dans le reste de l’univers (« l’environnement »)., Les organismes plus simples peuvent atteindre des rendements énergétiques plus élevés que les organismes plus complexes, mais les organismes complexes peuvent occuper des niches écologiques qui ne sont pas disponibles pour leurs frères plus simples. La conversion d’une partie de l’énergie chimique en chaleur à chaque étape d’une voie métabolique est la raison physique derrière la pyramide de la biomasse observée en écologie: pour ne faire que la première étape de la chaîne alimentaire, sur les 124,7 Pg/a estimés de carbone fixés par la photosynthèse, 64,3 Pg/a (52%) sont utilisés pour le métabolisme des plantes vertes, c’est-à-dire reconvertis en dioxyde de carbone et en chaleur.,

Sciences de la Terre

en géologie, la dérive des continents, les chaînes de montagnes, les volcans et les tremblements de terre sont des phénomènes qui peuvent s’expliquer en termes de transformations énergétiques à l’intérieur de la Terre, tandis que les phénomènes météorologiques comme le vent, la pluie, la grêle, la neige, la foudre, les tornades,

la lumière du soleil peut être stockée sous forme d’énergie potentielle gravitationnelle après avoir frappé la terre, car (par exemple) l’eau s’évapore des océans et se dépose sur les montagnes (où, après avoir été libérée à un barrage hydroélectrique, elle peut être utilisée pour entraîner des turbines ou des générateurs pour produire de l’électricité). La lumière du soleil entraîne également de nombreux phénomènes météorologiques, à l’exception de ceux générés par les événements volcaniques., Un exemple d’événement météorologique à médiation solaire est un ouragan, qui se produit lorsque de grandes zones instables d’océan chaud, chauffées au fil des mois, abandonnent soudainement une partie de leur énergie thermique pour alimenter quelques jours de mouvement d’air violent.

dans un processus plus lent, la désintégration radioactive des atomes dans le cœur de la terre libère de la chaleur. Cette énergie thermique entraîne la tectonique des plaques et peut soulever des montagnes, via l’orogenèse. Ce soulèvement lent représente une sorte de stockage d’énergie potentielle gravitationnelle de l’énergie thermique, qui peut être ensuite libérée en énergie cinétique active dans les glissements de terrain, après un événement déclencheur., Les tremblements de terre libèrent également de l’énergie potentielle élastique stockée dans les roches, une réserve qui a été produite à partir des mêmes sources de chaleur radioactive. Ainsi, selon la compréhension actuelle, des événements familiers tels que les glissements de terrain et les tremblements de terre libèrent de l’énergie qui a été stockée sous forme d’énergie potentielle dans le champ gravitationnel de la terre ou de déformation élastique (énergie potentielle mécanique) dans les roches. Avant cela, ils représentent la libération d’énergie qui a été stockée dans des atomes lourds depuis l’effondrement des étoiles de supernova détruites depuis longtemps créé ces atomes.,

cosmologie

en cosmologie et en astronomie, les phénomènes d’étoiles, de nova, de supernova, de quasars et de sursauts gamma sont les transformations énergétiques de la matière les plus puissantes de l’univers. Tous les phénomènes stellaires (y compris l’activité solaire) sont entraînés par divers types de transformations énergétiques. L’énergie dans de telles transformations provient soit de l’effondrement gravitationnel de la matière (généralement de l’hydrogène moléculaire) en diverses classes d’objets astronomiques (étoiles, trous noirs, etc.), ou de fusion nucléaire (d’éléments plus légers, principalement de l’hydrogène)., La fusion nucléaire de l’hydrogène dans le soleil libère également une autre réserve d’énergie potentielle créée au moment du Big Bang. À cette époque, selon la théorie, l’espace s’est étendu et l’univers s’est refroidi trop rapidement pour que l’hydrogène fusionne complètement en éléments plus lourds. Cela signifie que l’hydrogène représente une réserve d’énergie potentielle qui peut être libérée par fusion. Un tel processus de fusion est déclenché par la chaleur et la pression générées par l’effondrement gravitationnel des nuages d’hydrogène lorsqu’ils produisent des étoiles, et une partie de l’énergie de fusion est ensuite transformée en lumière du soleil.,

la mécanique Quantique

En mécanique quantique, l’énergie est définie en fonction de l’énergie operatoras un temps dérivée de la fonction d’onde. L’équation de Schrödinger assimile l’opérateur énergétique à l’énergie complète d’une particule ou d’un système. Ses résultats peuvent être considérés comme une définition de la mesure de l’énergie en mécanique quantique. L’équation de Schrödinger décrit la dépendance spatiale et temporelle d’une fonction d’onde (non relativiste) en évolution lente des systèmes quantiques., La solution de cette équation pour un système lié est discrète (un ensemble d’États autorisés, chacun caractérisé par un niveau d’énergie), ce qui aboutit au concept de quanta. Dans la solution de L’équation de Schrödinger pour tout oscillateur (vibrateur) et pour les ondes électromagnétiques dans le vide, les États d’énergie résultants sont liés à la fréquence par la relation de Planck: E = H ν {\displaystyle E=H\nu } (où h {\displaystyle h} est la constante de Planck et ν {\displaystyle \nu } la fréquence). Dans le cas d’une onde électromagnétique, ces états d’énergie sont appelés quanta de lumière ou photons.,

relativité

lors du calcul de l’énergie cinétique (travail pour accélérer un corps massif de la vitesse nulle à une vitesse finie) de manière relativiste – en utilisant les transformations de Lorentz au lieu de la mécanique Newtonienne – Einstein a découvert un sous-produit inattendu de ces calculs pour être un terme d’énergie qui ne disparaît pas à Il l’a appelée énergie de repos: énergie que tout corps massif doit posséder même lorsqu’il est au repos., La quantité d’énergie est directement proportionnelle à la masse du corps:

E 0 = m c 2 {\displaystyle E_{0}=mc^{2}} ,

où

m est la masse du corps, c est la vitesse de la lumière dans le vide, E 0 {\displaystyle E_{0}} est le reste de l’énergie.

par exemple, considérons l’annihilation électron–positron, dans laquelle l’énergie de repos de ces deux particules individuelles (équivalente à leur masse de repos) est convertie en énergie rayonnante des photons produits dans le processus. Dans ce système, la matière et l’antimatière (électrons et positrons) sont détruites et changées en non-matière (les photons)., Cependant, la masse totale et l’énergie totale ne changent pas au cours de cette interaction. Les photons n’ont pas chacun de masse de repos mais ont néanmoins une énergie rayonnante qui présente la même inertie que les deux particules d’origine. Il s’agit d’un processus réversible – le processus inverse est appelé création de paires – dans lequel la masse restante des particules est créée à partir de l’énergie rayonnante de deux (ou plus) photons annihilants.,

en relativité générale, le tenseur contrainte–énergie Sert de terme source pour le champ gravitationnel, par analogie approximative à la façon dont la masse Sert de terme source dans l’approximation Newtonienne non relativiste.

L’énergie et la masse sont des manifestations d’une seule et même Propriété physique sous-jacente d’un système., Cette propriété est responsable de l’inertie et de la force de l’interaction gravitationnelle du système (« manifestations de masse »), et est également responsable de la capacité potentielle du système à effectuer des travaux ou à chauffer (« manifestations d’énergie »), sous réserve des limitations d’autres lois physiques.

En physique classique, l’énergie est une quantité scalaire, l’canonique conjugué à temps. En relativité spéciale, l’énergie est également un scalaire (bien que ce ne soit pas un scalaire de Lorentz mais une composante temporelle du vecteur énergie–momentum 4)., En d’autres termes, l’énergie est invariants par rapport aux rotations de l’espace, mais pas invariants par rapport aux rotations de l’espace-temps (= boosts).