Conservation de l'énergie

Un système isolé se compose d'un ensemble d'objets physiques (généralement des particules : atomes, photons, etc.). Il est dit « isolé » s'il n'échange avec l'extérieur ni énergie par l'intermédiaire de forces (par exemple : gravité, magnétisme), ni matière (on n'enlève ni n'ajoute de particules ayant une masse au système). En particulier, le système isolé n'échange pas de photons avec un autre système.

Ce principe, émis en physique newtonienne, suppose implicitement que le référentiel du système est inertiel. Dans un référentiel non inertiel, ce principe n'est pas valable, un mouvement pouvant y apparaître spontanément[1].

L'énergie totale d'un système se compose de la somme de différentes énergies, qui peuvent être :

• l'énergie de masse, correspondant à la masse des particules, suivant la formule E=mc² ;
• l'énergie thermique ;
• l'énergie cinétique, correspondant au mouvement du système dans son ensemble ;
• l'énergie potentielle (par exemple, due à la gravité et liée à l'altitude, ou chimique) ;
• etc.

Le principe de conservation stipule que la quantité d'énergie d'un système isolé ne peut varier.

Dire qu'un système A n'est pas isolé, c'est dire qu'il existe au moins un autre système B extérieur à A et qu'il existe des transferts d'énergie entre ces systèmes[2].

De manière générale, le principe de conservation pour un système S quelconque (non isolé) est, le plus souvent, utilisé de manière variationnelle en écrivant que la variation de la quantité d'énergie du système S est égale au cumul des entrées moins le cumul des sorties pendant le délai d'observation. Mathématiquement, cela se traduit par des équations de conservation.

Par exemple, un pendule oscillant dans l'air a un mouvement de plus en plus faible car, par les frottements, notamment avec l'air, il fournit de l'énergie à un autre système (l'air ambiant) et, son énergie diminuant, ses mouvements s'atténuent inexorablement. La quantité d'énergie perdue du système « pendule » est alors égale à la quantité d'énergie transférée vers le système « ambiant », donc sortie du système « pendule ». La variation de celui-ci est alors bien égale au cumul des entrées (dans ce cas 0) moins le cumul des sorties.

Dans la chute, de l'énergie potentielle devient de l'énergie cinétique, puis thermique.

On peut utiliser le principe de conservation de l'énergie mécanique d'un système dans le cas d'une balle élevée à une certaine hauteur du sol :

• initialement, elle possède de l'énergie potentielle gravitationnelle (notée h sur l'illustration) ;
• en tombant, elle est accélérée par la force gravitationnelle et son énergie potentielle devient graduellement de l'énergie cinétique. Juste au moment de toucher le sol, la différence d'énergie potentielle gravitationnelle, entre sa position initiale et celle qu'elle occupe à la fin de sa course s'est totalement transformée en énergie cinétique (notée ici v) ;
• si la balle est déformable et qu'elle ne rebondit pas, elle s'immobilise. L'énergie cinétique s'est alors transformée en énergie thermique (notée T).

Dans cet exemple, on a négligé la résistance de l'air[5].

Le premier principe de la thermodynamique reflète le principe de conservation de l'énergie : ${\displaystyle \Delta Ec+\Delta U=Q+W\,}$

C'est-à-dire que la somme des variations de l’énergie cinétique macroscopique (Ec) et de l'énergie interne (U) d'un système est égale à la somme du transfert thermique et du travail qu'il échange avec le milieu extérieur.

Pour un système isolé, on a : ${\displaystyle \Delta Ec+\Delta U=Q+W=0\,}$ donc ${\displaystyle Q=-W\,}$

 : document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

• Harris Benson (trad. Marc Séguin, Benoît Villeneuve, Bernard Marcheterre et Richard Gagnon), Physique 1 Mécanique, Édition du Renouveau Pédagogique, 2009, 4^e éd., 465 p.