C'est quoi vraiment l'énergie ? (Partie 2)

Cette deuxième vidéo de la série sur l'énergie rappelle que la vie est mouvement, nécessitant un apport constant de quantité de mouvement. Ce mouvement est quantifié par l'énergie cinétique (1/2 MV²), tandis que l'énergie potentielle représente l'énergie cinétique qu'une force peut potentiellement produire entre deux particules. Ces deux formes d'énergie varient en sens opposé, leur somme étant l'énergie mécanique, qui est constante. Au niveau des particules élémentaires, il n'y a pas d'autres formes d'énergie. Cependant, au niveau macroscopique, d'autres formes apparaissent, fondamentalement des allers-retours entre énergie potentielle et énergie cinétique. Un objet macroscopique est constitué d'une myriade d'atomes liés par des forces de cohésion, agissant comme des ressorts. L'énergie potentielle entre deux atomes est représentée par une courbe en forme de puits, le fond du puits étant la distance d'équilibre où la force est nulle. Les atomes vibrent autour de cette position, un mouvement complexe appelé agitation thermique. La température est une mesure de cette agitation. Si la température augmente, la vitesse de vibration des atomes s'accroît, augmentant leur énergie cinétique et potentielle. Si l'énergie cinétique est suffisante, les atomes peuvent sortir du puits, entraînant la désagrégation de la matière (fusion, sublimation). À l'inverse, une diminution de température réduit l'agitation jusqu'au zéro absolu, où les atomes sont immobiles. Bien que chaque élément vibre à une certaine fréquence, il ne s'agit pas d'un "taux vibratoire" dégagé, mais d'une "bouillie de vibrations" interne à l'objet. L'énergie invisible peut être mesurée par un thermomètre. Au niveau macroscopique, un objet est un paquet de particules microscopiques vibrantes. La quantité de mouvement d'une boule au repos est nulle car les quantités de mouvement individuelles des atomes s'annulent. Cependant, l'énergie cinétique totale n'est pas nulle, car les atomes ont individuellement de l'énergie cinétique liée à leur vibration. C'est l'énergie cinétique thermique. Lorsqu'une boule est mise en mouvement à une vitesse V, la vitesse de chaque atome augmente de V. La quantité de mouvement macroscopique se calcule comme pour une particule élémentaire (masse totale x vitesse moyenne). L'énergie cinétique totale d'un objet macroscopique en mouvement est la somme de deux termes : l'énergie cinétique macroscopique (calculée avec la masse et la vitesse globale de la boule) et l'énergie cinétique thermique (liée à sa température). Lors d'une collision entre deux boules, les lois de conservation de la quantité de mouvement et de l'énergie cinétique s'appliquent globalement. Cependant, le choc n'est pas instantané ; les boules se déforment, créant des ondes de compression qui se propagent. Cette déformation rend impossible une formalisation précise de la force. L'énergie cinétique est composée de l'énergie cinétique thermique et de l'énergie cinétique macroscopique. Si l'énergie cinétique thermique ne variait pas, le problème se résoudrait comme avec des particules élémentaires. Cependant, des ondes internes perdurent après le choc, impactant l'agitation thermique. En pratique, l'énergie cinétique thermique augmente après un choc, diminuant d'autant l'énergie cinétique macroscopique. C'est pourquoi une balle ne rebondit pas à l'infini. L'énergie cinétique thermique augmente toujours car, pendant la phase de contact, l'énergie cinétique est temporairement transformée en énergie potentielle, puis restituée de manière aléatoire. Une partie de l'énergie cinétique macroscopique est ainsi réorientée en énergie cinétique thermique, rendant hautement improbable l'inverse (une diminution de l'énergie thermique au profit de l'énergie de translation). Ce phénomène est une introduction à la notion d'entropie. Au niveau macroscopique, un autre mouvement apparaît : la rotation. L'énergie cinétique de rotation est une forme d'énergie interne ordonnée. Lors d'un choc, une partie de l'énergie cinétique de translation peut être convertie en énergie cinétique de rotation. Par exemple, si une boule heurte un haltère, l'haltère peut acquérir un mouvement de rotation, absorbant ainsi une partie de l'énergie cinétique de translation. L'énergie cinétique macroscopique peut donc prendre trois formes : l'énergie cinétique de translation, l'énergie cinétique thermique (désordonnée) et l'énergie cinétique de rotation (ordonnée). La chaleur est souvent considérée comme une perte d'énergie ordonnée. Au-delà de l'énergie mécanique, l'énergie chimique et électrique sont également des formes d'énergie. Les molécules sont composées d'atomes liés par des forces interatomiques. Dans un gaz ou un liquide, les molécules se déplacent et peuvent entrer en collision. Si l'énergie de vibration augmente suffisamment (température élevée), les atomes peuvent briser leurs liaisons, se séparant. Inversement, des atomes peuvent se recombiner pour former de nouvelles molécules plus stables (puits de potentiel plus profond). Cette diminution d'énergie potentielle est convertie en énergie cinétique, c'est le principe de la combustion. Les réactions chimiques exothermiques libèrent du mouvement, comme dans un moteur à essence ou pour maintenir la température corporelle. Des molécules stables comme l'eau et le CO2 sont des produits de ces réactions. L'énergie électrique exploite la force magnétique. Dans un moteur électrique, le courant circulant dans un fil plongé dans un champ magnétique subit la force de Lorentz. Cette force, perpendiculaire à la vitesse des électrons, ne produit pas de travail directement, mais pousse les électrons latéralement. Ceux-ci transmettent la force au fil conducteur, créant un mouvement mécanique de rotation. L'énergie potentielle transformée en énergie cinétique provient de la source de courant (batterie, générateur) qui maintient un flux d'électrons et une différence de potentiel. Plus le flux d'électrons et la différence de potentiel sont importants, plus la puissance électrique est élevée. En résumé, l'énergie que nous achetons est de l'énergie potentielle, que nous consommons en abaissant son potentiel pour la transformer en énergie cinétique, le mouvement dont nous avons besoin. Ce processus s'accompagne toujours de pertes. Acheter de l'énergie, c'est comme acheter des ressorts comprimés, et la consommer, c'est les détendre pour produire le mouvement. La chaîne de transformation de l'énergie peut être complexe, comme dans une centrale nucléaire, mais elle implique toujours des conversions entre énergie potentielle et énergie cinétique pour acheminer le mouvement là où il est nécessaire. La notion d'énergie est fondamentale, et les lois de Newton en découlent.