Énergie

L'énergie (du grec ancien ἐνέργεια ( enérgeia ) « activité ») est la propriété quantitative qui est transférée à un corps ou à un système physique , reconnaissable dans l'exécution d' un travail et sous forme de chaleur et de lumière . L'énergie est une quantité conservée — la loi de conservation de l'énergie stipule que l'énergie peut être convertie en forme, mais pas créée ou détruite. L'unité de mesure de l'énergie dans le Système international d'unités (SI) est le joule (J).

Les formes d'énergie comprennent l' énergie cinétique d'un objet en mouvement, l' énergie potentielle stockée par un objet (par exemple en raison de sa position dans un champ ), l' énergie élastique stockée dans un objet solide, l'énergie chimique associée aux réactions chimiques , l' énergie rayonnante transportée par un rayonnement électromagnétique , l' énergie interne contenue dans un système thermodynamique et l'énergie au repos associée à la masse au repos d'un objet . Ces formes d'énergie ne s'excluent pas mutuellement.

Tous les organismes vivants absorbent et rejettent constamment de l'énergie. Le climat et les processus écosystémiques de la Terre sont principalement déterminés par l'énergie rayonnante du soleil . L' industrie énergétique fournit l'énergie nécessaire au fonctionnement de la civilisation humaine, qu'elle obtient à partir de ressources énergétiques telles que les combustibles fossiles , le combustible nucléaire et les énergies renouvelables .

L'énergie totale d'un système peut être subdivisée et classée de diverses manières en énergie potentielle , énergie cinétique ou combinaison des deux. L'énergie cinétique est déterminée par le mouvement d'un objet – ou le mouvement composite des composants de l'objet – tandis que l'énergie potentielle reflète le potentiel d'un objet à avoir un mouvement, généralement basé sur la position de l'objet dans un champ ou sur ce qui est stocké dans le champ lui-même.

Bien que ces deux catégories soient suffisantes pour décrire toutes les formes d'énergie, il est souvent pratique de se référer à des combinaisons particulières d'énergie potentielle et cinétique comme à une forme à part entière. Par exemple, la somme de l'énergie cinétique et potentielle de translation et de rotation au sein d'un système est appelée énergie mécanique , tandis que l'énergie nucléaire fait référence aux potentiels combinés au sein d'un noyau atomique provenant soit de la force nucléaire , soit de la force faible , entre autres exemples.

Le mot énergie vient du grec ancien ἐνέργεια , romanisé energeia , littéralement « activité, opération », qui apparaît peut-être pour la première fois dans l'œuvre d' Aristote au IVe siècle avant J.-C. Contrairement à la définition moderne, energeia  était un concept philosophique qualitatif, suffisamment large pour inclure des idées telles que le bonheur et le plaisir.

À la fin du XVIIe siècle, Gottfried Leibniz proposa l'idée de la force vive , qui se définissait comme le produit de la masse d'un objet par le carré de sa vitesse ; il croyait que la force vive totale était conservée. Pour tenir compte du ralentissement dû au frottement, Leibniz théorisa que l'énergie thermique était constituée des mouvements des parties constitutives de la matière, bien qu'il fallut plus d'un siècle pour que cette théorie soit généralement acceptée. L'analogue moderne de cette propriété, l'énergie cinétique , ne diffère de la force vive que d'un facteur deux. Écrivant au début du XVIIIe siècle, Émilie du Châtelet proposa le concept de conservation de l'énergie dans les marges de sa traduction en français des Principia Mathematica de Newton , qui représentait la première formulation d'une quantité mesurable conservée distincte de l'impulsion , et qui serait plus tard appelée « énergie ».

En 1807, Thomas Young fut peut-être le premier à utiliser le terme « énergie » au lieu de force vive , dans son sens moderne. Gustave-Gaspard Coriolis décrivit « l'énergie cinétique » en 1829 dans son sens moderne, et en 1853, William Rankine inventa le terme « énergie potentielle ». La loi de conservation de l'énergie fut également postulée pour la première fois au début du XIXe siècle, et s'applique à tout système isolé . On débattit pendant quelques années pour savoir si la chaleur était une substance physique, appelée le calorique , ou simplement une quantité physique, comme la quantité de mouvement . En 1845, James Prescott Joule découvrit le lien entre le travail mécanique et la génération de chaleur.

Ces développements ont conduit à la théorie de la conservation de l'énergie, formalisée en grande partie par William Thomson ( Lord Kelvin ) comme domaine de la thermodynamique . La thermodynamique a aidé au développement rapide des explications des processus chimiques par Rudolf Clausius , Josiah Willard Gibbs et Walther Nernst . Elle a également conduit à une formulation mathématique du concept d' entropie par Clausius et à l'introduction des lois de l'énergie radiante par Jožef Stefan . Selon le théorème de Noether , la conservation de l'énergie est une conséquence du fait que les lois de la physique ne changent pas au cours du temps. Ainsi, depuis 1918, les théoriciens ont compris que la loi de conservation de l'énergie est la conséquence mathématique directe de la symétrie translationnelle de la quantité conjuguée à l'énergie, à savoir le temps.

Dans le Système international d'unités (SI), l'unité d'énergie est le joule . Il s'agit d'une unité dérivée qui correspond à l'énergie dépensée, ou au travail effectué, pour appliquer une force d'un newton sur une distance d'un mètre. Cependant, l'énergie peut également être exprimée dans de nombreuses autres unités qui ne font pas partie du SI, telles que les ergs , les calories , les unités thermiques britanniques , les kilowattheures et les kilocalories , qui nécessitent un facteur de conversion lorsqu'elles sont exprimées en unités SI.

L'unité SI de la puissance , définie comme l'énergie par unité de temps, est le watt , qui est un joule par seconde. Ainsi, un joule équivaut à un watt-seconde et 3 600 joules à un watt-heure. L' unité d'énergie CGS est l' erg et l' unité impériale et américaine coutumière est le pied-livre . D'autres unités d'énergie telles que l' électronvolt , la calorie alimentaire ou le kcal thermodynamique (basé sur la variation de température de l'eau dans un processus de chauffage) et le BTU sont utilisées dans des domaines spécifiques de la science et du commerce.

En 1843, le physicien anglais James Prescott Joule , homonyme de l'unité de mesure, a découvert que l' énergie potentielle gravitationnelle perdue par un poids descendant attaché par une corde était égale à l' énergie interne gagnée par l'eau par frottement avec la pagaie.

En mécanique classique, l'énergie est une propriété conceptuellement et mathématiquement utile, car c'est une quantité conservée . Plusieurs formulations de la 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.

Cela signifie que le travail ( ) est égal à l' intégrale de la force F le long d'un chemin C ; pour plus de détails, voir l' article sur le travail mécanique . Le travail et donc l'énergie dépendent du référentiel . Par exemple, considérons une balle frappée par une batte. Dans le référentiel du centre de masse, la batte n'effectue aucun travail sur la balle. Mais, dans le référentiel de la personne qui balance la batte, un travail considérable est effectué sur la balle.

L'énergie totale d'un système est parfois appelée 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 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 être dérivés. 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 avec frottement).

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. 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 à symétries continues n'ont pas besoin d'avoir une loi de conservation correspondante.

Dans le contexte de la chimie , l'énergie est un attribut d'une substance résultant de sa structure atomique, moléculaire ou agrégée. Comme une transformation chimique s'accompagne d'un changement dans un ou plusieurs de ces types de structure, elle s'accompagne généralement d'une diminution, et parfois d'une augmentation, de l'énergie totale des substances impliquées. Une certaine quantité d'énergie peut être transférée entre l'environnement et les réactifs sous forme de chaleur ou de lumière ; ainsi, les produits d'une réaction ont parfois plus mais généralement moins d'énergie que les réactifs. Une réaction est dite exothermique ou exergonique si l'état final est plus bas sur l'échelle énergétique que l'état initial ; dans le cas moins courant des 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 qu'une molécule ait une énergie supérieure ou égale à E à une température donnée T. Cette dépendance exponentielle d'une vitesse de réaction à la température est connue sous le nom d'équation d'Arrhenius . L'énergie d'activation nécessaire à une réaction chimique peut être fournie sous forme d'énergie thermique.

En biologie , l'énergie est un attribut de tous les systèmes biologiques, de la biosphère au plus petit organisme vivant. Au sein d'un organisme, elle est responsable de la croissance et du développement d'une cellule biologique ou d'un organite d'un organisme biologique. L'énergie utilisée dans la respiration est stockée dans des substances telles que les glucides (y compris les sucres), les lipides et les protéines stockées par les cellules . En termes humains, l' équivalent humain (He) (conversion énergétique humaine) indique, pour une quantité donnée de dépense énergétique, la quantité relative d'énergie nécessaire au métabolisme humain , en utilisant comme norme 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, une ampoule électrique fonctionnant à 100 watts consomme 1,25 équivalent humain (100 ÷ 80), soit 1,25 He. Pour une tâche difficile de quelques secondes seulement, une personne peut produire des milliers de watts, soit plusieurs fois les 746 watts d'un cheval-vapeur officiel. Pour des tâches de quelques minutes, un être humain en bonne santé peut produire peut-être 1 000 watts. Pour une activité qui doit être soutenue pendant une heure, la puissance chute à environ 300 watts ; pour une activité maintenue toute la journée, 150 watts constituent à peu près le maximum. L'équivalent humain aide à comprendre les flux d'énergie dans les systèmes physiques et biologiques en exprimant les unités d'énergie en termes humains : il donne une « sensation » de l'utilisation d'une quantité donnée d'énergie.

L'énergie rayonnante du soleil est également captée par les plantes sous forme d'énergie potentielle chimique lors de la photosynthèse , lorsque le dioxyde de carbone et l'eau (deux composés à faible énergie) sont convertis en glucides, lipides, protéines et oxygène. 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 d'enzymes .

Toutes les créatures vivantes dépendent d’une source d’énergie externe pour pouvoir croître et se reproduire – l’énergie rayonnante du Soleil dans le cas des plantes vertes et l’énergie chimique (sous une forme ou une autre) dans le cas des animaux. Les 1 500 à 2 000 calories (6 à 8 MJ) quotidiennes recommandées pour un adulte humain sont prises sous forme de molécules alimentaires, principalement des glucides et des lipides, dont le glucose (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) et la stéarine (C ₅₇ H ₁₁₀ O ₆ ) sont des exemples pratiques. Les molécules alimentaires sont oxydées en dioxyde de carbone et en eau dans les mitochondries et une partie de l’énergie est utilisée pour convertir l’ADP en ATP : $6CO2\; +\; 6H2O{\text{C}}_6^{}{\text{H}}_{12}^{}{\text{O}}_6^{}+6{\text{O}}_2^{}⟶6{\text{CO}}_2^{}+6{\text{H}}_2^{}\text{O}$ 6CO2 + 6H2O}}}" data-src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3b900a38a081015a895dbce7eb6a5d2699523fce"> $57CO2\; +\; 55H2O{\text{C}}_{57}^{}{\text{H}}_{110}^{}{\text{O}}_6^{}+\left(81\frac{1}{2}\right){\text{O}}_2^{}⟶57{\text{CO}}_2^{}+55{\text{H}}_2^{}\text{O}$ 57CO2 + 55H2O}}}" data-src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/396ec72334a7746c2e20e9e16555b7478520e29a">

Le reste de l'énergie chimique des glucides ou des 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 se divise finalement en ADP et en 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 sur 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) ; la plupart des machines parviennent à des rendements plus élevés. Dans les organismes en croissance, l'énergie convertie en chaleur sert un objectif vital, car elle permet au tissu de l'organisme d'être hautement ordonné par rapport aux molécules qui le composent. La deuxième loi de la thermodynamique stipule que l'énergie (et la matière) tend à se répartir plus uniformément dans l'univers : pour concentrer l'énergie (ou la matière) en 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 ces derniers peuvent occuper des niches écologiques qui ne sont pas accessibles à 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 biomasse observée en écologie . A titre d'exemple, pour ne prendre que la première étape de la chaîne alimentaire : sur les 124,7 Pg/a estimés de carbone fixé 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.

En géologie , la dérive des continents , les chaînes de montagnes , les volcans et les tremblements de terre sont des phénomènes qui peuvent être expliqués 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 et les ouragans sont tous le résultat de transformations énergétiques dans notre atmosphère provoquées par l'énergie solaire .

La lumière du soleil est la principale source d'énergie de la Terre , qui est responsable de sa température et de la stabilité de son climat. La lumière du soleil peut être stockée sous forme d'énergie potentielle gravitationnelle après avoir frappé la Terre, comme par exemple lorsque l'eau s'évapore des océans et se dépose sur les montagnes (où, après avoir été libérée par un barrage hydroélectrique, elle peut être utilisée pour actionner des turbines ou des générateurs pour produire de l'électricité). La lumière du soleil est également à l'origine de la plupart des phénomènes météorologiques, à quelques exceptions près, comme ceux générés par des événements volcaniques par exemple. Un exemple d'événement météorologique d'origine solaire est un ouragan, qui se produit lorsque de grandes zones instables d'océan chaud, chauffées pendant des mois, cèdent soudainement une partie de leur énergie thermique pour alimenter quelques jours de mouvements d'air violents.

Dans un processus plus lent, la désintégration radioactive des atomes dans le noyau de la Terre libère de la chaleur. Cette énergie thermique entraîne la tectonique des plaques et peut soulever des montagnes, via l'orogenèse . Cette lente élévation représente une sorte de stockage d'énergie potentielle gravitationnelle de l'énergie thermique, qui peut ensuite être transformée en énergie cinétique active lors de glissements de terrain, après un événement déclencheur. Les tremblements de terre libèrent également l'énergie potentielle élastique stockée dans les roches, une réserve qui a été produite en fin de compte à partir des mêmes sources de chaleur radioactive. Ainsi, selon les connaissances actuelles, les 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 contrainte 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 d'étoiles supernovae détruites depuis longtemps (qui ont créé ces atomes).

En cosmologie et en astronomie, les phénomènes des étoiles , des novae , des supernovae , des quasars et des sursauts gamma sont les transformations de la matière les plus énergétiques de l'univers. Tous les phénomènes stellaires (y compris l'activité solaire) sont provoqués par divers types de transformations énergétiques. L'énergie de ces 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.), soit de la 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 qui a été 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 puisse fusionner 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 solaire.

En mécanique quantique , l'énergie est définie en termes d' opérateur énergétique (hamiltonien) comme une dérivée temporelle de la fonction d'onde . L' équation de Schrödinger assimile l'opérateur énergétique à l'énergie totale 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 à évolution lente (non relativiste) 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 donne lieu 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 : (où sont la constante de Planck et la fréquence). Dans le cas d'une onde électromagnétique, ces états d'énergie sont appelés quanta de lumière ou de photons .

En calculant l'énergie cinétique ( le travail nécessaire 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 : un terme d'énergie qui ne s'annule pas à vitesse nulle. Il l'a appelé énergie de repos : l'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 : où

• m ₀ est la masse au repos du corps,
• c est la vitesse de la lumière dans le vide,

Prenons par exemple l’annihilation électron - positon , dans laquelle l’énergie au repos de ces deux particules individuelles (équivalente à leur masse au repos) est convertie en énergie rayonnante des photons produits au cours du processus. Dans ce système, la matière et l’antimatière (électrons et positons) sont détruites et transformées 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 de masse au 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 au repos des particules est créée à partir de l’énergie rayonnante de deux (ou plusieurs) photons annihilants.

En relativité générale, le tenseur contrainte-énergie sert de terme source pour le champ gravitationnel, par analogie approximative avec la manière 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 un travail ou à chauffer (« manifestations d'énergie »), sous réserve des limitations d'autres lois physiques.

En physique classique , l'énergie est une quantité scalaire, le conjugué canonique du temps. En relativité restreinte, l'énergie est également un scalaire (bien qu'il ne s'agisse pas d'un scalaire de Lorentz mais d'une composante temporelle du vecteur 4 énergie-impulsion ). En d'autres termes, l'énergie est invariante par rapport aux rotations de l'espace , mais pas par rapport aux rotations de l'espace-temps (= boosts ).

L'énergie peut être transformée entre différentes formes avec des rendements différents . Les éléments qui se transforment entre ces formes sont appelés transducteurs . Parmi les exemples de transducteurs, on peut citer une batterie (de l'énergie chimique à l'énergie électrique ), un barrage (de l'énergie potentielle gravitationnelle à l'énergie cinétique de l'eau en mouvement (et des pales d'une turbine ) et finalement à l'énergie électrique via un générateur électrique ) et un moteur thermique (de la chaleur au travail).

Les exemples de transformation d'énergie incluent la production d'énergie électrique à partir d'énergie thermique via une turbine à vapeur, ou le levage d'un objet contre la gravité en utilisant l'énergie électrique entraînant un moteur de grue. Le levage contre la gravité effectue un travail mécanique sur l'objet et stocke l'énergie potentielle gravitationnelle dans l'objet. Si l'objet tombe au sol, la gravité effectue un travail mécanique sur l'objet qui transforme l'énergie potentielle du champ gravitationnel en énergie cinétique libérée sous forme de chaleur lors de l'impact avec le sol. Le Soleil transforme l'énergie potentielle nucléaire en d'autres formes d'énergie ; sa masse totale ne diminue pas en soi (puisqu'il contient toujours la même énergie totale même sous différentes formes) mais sa masse diminue lorsque l'énergie s'échappe vers son environnement, en grande partie sous forme d'énergie rayonnante .

Il existe des limites strictes à l'efficacité avec laquelle la chaleur peut être convertie en travail dans un processus cyclique, par exemple dans un moteur thermique, comme le décrivent le théorème de Carnot et la deuxième loi de la thermodynamique . Cependant, certaines transformations d'énergie peuvent être assez efficaces. La direction des transformations d'énergie (quel type d'énergie est transformé en quel autre type) est souvent déterminée par des considérations d'entropie (répartition égale de l'énergie entre tous les degrés de liberté disponibles ). En pratique, toutes les transformations d'énergie sont autorisées à petite échelle, mais certaines transformations plus importantes ne sont pas autorisées car il est statistiquement peu probable que l'énergie ou la matière se déplace de manière aléatoire vers des formes plus concentrées ou des espaces plus petits.

Les transformations énergétiques de l'univers au fil du temps sont caractérisées par différents types d'énergie potentielle, disponibles depuis le Big Bang , qui sont « libérées » (transformées en types d'énergie plus actifs tels que l'énergie cinétique ou radiante) lorsqu'un mécanisme de déclenchement est disponible. Parmi les exemples connus de tels processus, on peut citer la nucléosynthèse , un processus utilisant en fin de compte l'énergie potentielle gravitationnelle libérée par l' effondrement gravitationnel des supernovae pour « stocker » de l'énergie dans la création d'isotopes lourds (tels que l'uranium et le thorium ), et la désintégration nucléaire , un processus dans lequel l'énergie initialement stockée dans ces éléments lourds est libérée, avant qu'ils ne soient incorporés dans le système solaire et la Terre. Cette énergie est déclenchée et libérée dans les bombes à fission nucléaire ou dans la production d'énergie nucléaire civile. De même, dans le cas d'une explosion chimique , l'énergie potentielle chimique est transformée en énergie cinétique et thermique en très peu de temps.

Un autre exemple est celui d'un pendule . À ses points les plus élevés, l' énergie cinétique est nulle et l' énergie potentielle gravitationnelle est à son maximum. À son point le plus bas, l' énergie cinétique est à son maximum et est égale à la diminution de l'énergie potentielle . Si l'on suppose (de manière irréaliste) qu'il n'y a pas de frottement ou d'autres pertes, la conversion d'énergie entre ces processus serait parfaite et le pendule continuerait à osciller indéfiniment.

L'énergie est également transférée de l'énergie potentielle ( ) à l'énergie cinétique ( ) puis revient constamment à l'énergie potentielle. C'est ce qu'on appelle la conservation de l'énergie. Dans ce système isolé , l'énergie ne peut être ni créée ni détruite ; par conséquent, l'énergie initiale et l'énergie finale seront égales. Cela peut être démontré par ce qui suit :

L'équation peut alors être encore simplifiée puisque (masse multipliée par l'accélération due à la gravité multipliée par la hauteur) et (demi-masse multipliée par la vitesse au carré). La quantité totale d'énergie peut alors être trouvée en ajoutant .

L'énergie donne naissance au poids lorsqu'elle est piégée dans un système à impulsion nulle, où elle peut être pesée. Elle est également équivalente à la masse, et cette masse lui est toujours associée. La masse est également équivalente à une certaine quantité d'énergie, et de même apparaît toujours associée à celle-ci, comme décrit dans l'équivalence masse-énergie . La formule E = mc ² , dérivée par Albert Einstein (1905) quantifie la relation entre la masse relativiste et l'énergie dans le concept de relativité restreinte. Dans différents cadres théoriques, des formules similaires ont été dérivées par JJ Thomson (1881), Henri Poincaré (1900), Friedrich Hasenöhrl (1904) et d'autres (voir Équivalence masse-énergie#Histoire pour plus d'informations).

Une partie de l'énergie au repos (équivalente à la masse au repos) de la matière peut être convertie en d'autres formes d'énergie (présentant toujours une masse), mais ni l'énergie ni la masse ne peuvent être détruites ; au contraire, les deux restent constantes au cours de tout processus. Cependant, étant donné qu'elle est extrêmement grande par rapport à l'échelle humaine ordinaire, la conversion d'une quantité quotidienne de masse au repos (par exemple, 1 kg) de l'énergie au repos en d'autres formes d'énergie (telles que l'énergie cinétique, l'énergie thermique ou l'énergie rayonnante transportée par la lumière et d'autres rayonnements) peut libérer d'énormes quantités d'énergie (~ 9 × 10 ¹⁶ joules , soit l’équivalent de 21 mégatonnes de TNT), comme on peut le voir dans les réacteurs nucléaires et les armes nucléaires.

À l'inverse, l'équivalent massique d'une quantité quotidienne d'énergie est minuscule, ce qui explique pourquoi une perte d'énergie (perte de masse) de la plupart des systèmes est difficile à mesurer sur une balance, à moins que la perte d'énergie ne soit très importante. On trouve des exemples de grandes transformations entre l'énergie au repos (de la matière) et d'autres formes d'énergie (par exemple, l'énergie cinétique en particules de masse au repos) en physique nucléaire et en physique des particules . Souvent, cependant, la conversion complète de la matière (comme les atomes) en non-matière (comme les photons) est interdite par les lois de conservation .

La thermodynamique divise la transformation de l'énergie en deux types : les processus réversibles et les processus irréversibles . Un processus irréversible est un processus dans lequel l'énergie est dissipée (répartie) dans des états d'énergie vides disponibles dans un volume, à partir duquel elle ne peut pas être récupérée dans des formes plus concentrées (moins d'états quantiques), sans dégradation d'encore plus d'énergie. Un processus réversible est un processus dans lequel ce type de dissipation ne se produit pas. Par exemple, la conversion d'énergie d'un type de champ potentiel à un autre est réversible, comme dans le système de pendule décrit ci-dessus.

Dans les processus où de la chaleur est générée, les états quantiques de plus faible énergie, présents sous forme d'excitations possibles dans les champs entre atomes, agissent comme un réservoir pour une partie de l'énergie, d'où elle ne peut être récupérée, afin d'être convertie avec une efficacité de 100 % en d'autres formes d'énergie. Dans ce cas, l'énergie doit rester en partie sous forme d'énergie thermique et ne peut être entièrement récupérée sous forme d'énergie utilisable, sauf au prix d'une augmentation d'un autre type de chaleur, comme une augmentation du désordre dans les états quantiques, dans l'univers (comme une expansion de la matière, ou une randomisation dans un cristal).

Au fur et à mesure que l'univers évolue, une part de plus en plus importante de son énergie se retrouve piégée dans des états irréversibles (c'est-à-dire sous forme de chaleur ou d'autres types d'augmentation du désordre). Cela a conduit à l'hypothèse de la mort thermique thermodynamique inévitable de l'univers . Dans cette mort thermique, l'énergie de l'univers ne change pas, mais la fraction d'énergie disponible pour effectuer un travail grâce à un moteur thermique , ou être transformée en d'autres formes d'énergie utilisables (par l'utilisation de générateurs attachés à des moteurs thermiques), continue de diminuer.

Le fait que l'énergie ne puisse être ni créée ni détruite est appelé la loi de conservation de l'énergie . Sous la forme de la première loi de la thermodynamique , celle-ci stipule que l'énergie d' un système fermé est constante à moins que l'énergie ne soit transférée vers l'intérieur ou vers l'extérieur sous forme de travail ou de chaleur , et qu'aucune énergie ne soit perdue lors du transfert. L'apport total d'énergie dans un système doit être égal au flux total d'énergie sortant du système, plus la variation de l'énergie contenue dans le système. Chaque fois que l'on mesure (ou calcule) l'énergie totale d'un système de particules dont les interactions ne dépendent pas explicitement du temps, on constate que l'énergie totale du système reste toujours constante.

Bien que la chaleur puisse toujours être entièrement convertie en travail dans une expansion isotherme réversible d'un gaz idéal, pour les processus cycliques d'intérêt pratique dans les moteurs thermiques, la deuxième loi de la thermodynamique stipule que le système effectuant un travail perd toujours de l'énergie sous forme de chaleur résiduelle . Cela crée une limite à la quantité d'énergie thermique qui peut effectuer un travail dans un processus cyclique, une limite appelée énergie disponible . L'énergie mécanique et d'autres formes d'énergie peuvent être transformées dans l'autre sens en énergie thermique sans de telles limitations. L'énergie totale d'un système peut être calculée en additionnant toutes les formes d'énergie du système.

Richard Feynman a déclaré lors d'une conférence en 1961 :

Il existe un fait, ou si vous préférez, une loi , qui régit tous les phénomènes naturels connus à ce jour. Il n’existe aucune exception connue à cette loi – elle est exacte pour autant que nous le sachions. Cette loi s’appelle la conservation de l’énergie . Elle stipule qu’il existe une certaine quantité, que nous appelons énergie, qui ne change pas dans les multiples changements que subit la nature. C’est une idée des plus abstraites, car c’est un principe mathématique ; il stipule qu’il existe une quantité numérique qui ne change pas quand quelque chose se produit. Ce n’est pas la description d’un mécanisme, ni rien de concret ; c’est juste un fait étrange que nous puissions calculer un nombre et que lorsque nous avons fini d’observer la nature faire ses tours et que nous calculons à nouveau le nombre, il soit le même.

—  Les conférences Feynman sur la physique

La plupart des types d'énergie (à l'exception notable de l'énergie gravitationnelle) sont également soumis à des lois de conservation locales strictes. Dans ce cas, l'énergie ne peut être échangée qu'entre des régions adjacentes de l'espace, et tous les observateurs s'accordent sur la densité volumétrique de l'énergie dans un espace donné. Il existe également une loi globale de conservation de l'énergie, stipulant que l'énergie totale de l'univers ne peut pas changer ; c'est un corollaire de la loi locale, mais pas l'inverse.

Cette loi est un principe fondamental de la physique. Comme le montre rigoureusement le théorème de Noether , la conservation de l'énergie est une conséquence mathématique de la symétrie translationnelle du temps, une propriété de la plupart des phénomènes en dessous de l'échelle cosmique qui les rend indépendants de leur emplacement sur la coordonnée temporelle. En d'autres termes, hier, aujourd'hui et demain sont physiquement indiscernables. Cela est dû au fait que l'énergie est la quantité canoniquement conjuguée au temps. Cette intrication mathématique de l'énergie et du temps résulte également du principe d'incertitude : il est impossible de définir la quantité exacte d'énergie pendant un intervalle de temps défini (bien que cela ne soit pratiquement significatif que pour des intervalles de temps très courts). Le principe d'incertitude ne doit pas être confondu avec la conservation de l'énergie : il fournit plutôt des limites mathématiques selon lesquelles l'énergie peut en principe être définie et mesurée.

Chacune des forces fondamentales de la nature est associée à un type différent d'énergie potentielle, et tous les types d'énergie potentielle (comme tous les autres types d'énergie) apparaissent comme la masse du système , lorsqu'ils sont présents. Par exemple, un ressort comprimé sera légèrement plus massif qu'avant d'être comprimé. De même, chaque fois que de l'énergie est transférée entre des systèmes par un mécanisme quelconque, une masse associée est transférée avec elle.

En mécanique quantique, l'énergie est exprimée à l'aide de l' opérateur hamiltonien . Sur toutes les échelles de temps, l'incertitude sur l'énergie est de

qui est similaire dans sa forme au principe d'incertitude de Heisenberg (mais pas vraiment équivalent mathématiquement, puisque H et t ne sont pas des variables dynamiquement conjuguées, ni en mécanique classique ni en mécanique quantique).

En physique des particules , cette inégalité permet une compréhension qualitative des particules virtuelles , qui transportent une quantité de mouvement . L'échange de particules virtuelles avec des particules réelles est responsable de la création de toutes les forces fondamentales connues (plus précisément appelées interactions fondamentales ). Les photons virtuels sont également responsables de l'interaction électrostatique entre charges électriques (qui résulte de la loi de Coulomb ), de la désintégration radiative spontanée des états atomiques et nucléaires excités, de la force de Casimir , de la force de Van der Waals et de quelques autres phénomènes observables.

Le transfert d'énergie peut être envisagé dans le cas particulier des systèmes fermés aux transferts de matière. La part de l'énergie transférée par des forces conservatrices sur une distance est mesurée comme le travail que le système source effectue sur le système récepteur. La part de l'énergie qui n'effectue pas de travail pendant le transfert est appelée chaleur . L'énergie peut être transférée entre des systèmes de diverses manières. On peut citer comme exemples la transmission d' énergie électromagnétique via des photons, les collisions physiques qui transfèrent de l'énergie cinétique , les interactions de marée , et le transfert conductif d' énergie thermique .

L'énergie est strictement conservée et est également conservée localement partout où elle peut être définie. En thermodynamique, pour les systèmes fermés, le processus de transfert d'énergie est décrit par la première loi :

où est la quantité d'énergie transférée, représente le travail effectué sur ou par le système et représente le flux de chaleur entrant ou sortant du système. Par simplification, le terme de chaleur, , peut parfois être ignoré, en particulier pour les processus rapides impliquant des gaz, qui sont de mauvais conducteurs de chaleur, ou lorsque l' efficacité thermique du transfert est élevée. Pour de tels processus adiabatiques ,

Cette équation simplifiée est celle utilisée pour définir le joule , par exemple.

Au-delà des contraintes des systèmes fermés, les systèmes ouverts peuvent gagner ou perdre de l'énergie en association avec un transfert de matière (ce processus est illustré par l'injection d'un mélange air-carburant dans un moteur de voiture, système qui gagne ainsi de l'énergie, sans ajout de travail ou de chaleur). En désignant cette énergie par , on peut écrire

L'énergie interne est la somme de toutes les formes microscopiques d'énergie d'un système. C'est l'énergie nécessaire pour créer le système. Elle est liée à l'énergie potentielle, par exemple à la structure moléculaire, à la structure cristalline et à d'autres aspects géométriques, ainsi qu'au mouvement des particules, sous forme d'énergie cinétique. La thermodynamique s'intéresse principalement aux variations de l'énergie interne et non à sa valeur absolue, qui est impossible à déterminer avec la seule thermodynamique.

La première loi de la thermodynamique affirme que l'énergie totale d'un système et de son environnement (mais pas nécessairement l'énergie libre thermodynamique ) est toujours conservée et que le flux de chaleur est une forme de transfert d'énergie. Pour les systèmes homogènes, avec une température et une pression bien définies, un corollaire couramment utilisé de la première loi est que, pour un système soumis uniquement à des forces de pression et à un transfert de chaleur (par exemple, un cylindre rempli de gaz) sans changements chimiques, la variation différentielle de l'énergie interne du système (avec un gain d'énergie signifié par une quantité positive) est donnée par

où le premier terme à droite est la chaleur transférée dans le système, exprimée en termes de température T et d'entropie S (dans laquelle l'entropie augmente et son changement d S est positif lorsque de la chaleur est ajoutée au système), et le dernier terme du côté droit est identifié comme le travail effectué sur le système, où la pression est P et le volume V (le signe négatif résulte du fait que la compression du système nécessite un travail sur lui et donc le changement de volume, d V , est négatif lorsque du travail est effectué sur le système).

Cette équation est très spécifique, car elle ignore toutes les forces chimiques, électriques, nucléaires et gravitationnelles, les effets tels que l'advection de toute forme d'énergie autre que la chaleur et le travail PV . La formulation générale de la première loi (c'est-à-dire la conservation de l'énergie) est valable même dans les situations où le système n'est pas homogène. Dans ces cas, la variation de l'énergie interne d'un système fermé est exprimée sous une forme générale par

où est la chaleur fournie au système et est le travail appliqué au système.

L'énergie d'un oscillateur harmonique mécanique (une masse sur un ressort) est alternativement cinétique et potentielle . À deux moments du cycle d'oscillation , elle est entièrement cinétique et à deux moments, elle est entièrement potentielle. Sur un cycle entier, ou sur plusieurs cycles, l'énergie moyenne est répartie de manière égale entre l'énergie cinétique et l'énergie potentielle. C'est un exemple du principe d'équipartition : l'énergie totale d'un système à plusieurs degrés de liberté est répartie de manière égale entre tous les degrés de liberté disponibles, en moyenne.

Ce principe est d'une importance vitale pour comprendre le comportement d'une quantité étroitement liée à l'énergie, appelée entropie . L'entropie est une mesure de l'uniformité de la distribution d'énergie entre les parties d'un système. Lorsqu'un système isolé se voit attribuer davantage de degrés de liberté (c'est-à-dire de nouveaux états d'énergie disponibles qui sont les mêmes que les états existants), l'énergie totale se répartit sur tous les degrés disponibles de manière égale sans distinction entre les « nouveaux » et les « anciens » degrés. Ce résultat mathématique fait partie de la deuxième loi de la thermodynamique . La deuxième loi de la thermodynamique n'est simple que pour les systèmes qui sont proches ou dans un état d'équilibre physique . Pour les systèmes hors équilibre, les lois régissant le comportement des systèmes sont encore sujettes à débat. L'un des principes directeurs de ces systèmes est le principe de production d'entropie maximale . Il stipule que les systèmes hors équilibre se comportent de manière à maximiser leur production d'entropie.