Énergie spécifique

L'énergie massique ou spécifique est l'énergie par unité de masse . Elle est parfois appelée densité d'énergie gravimétrique , à ne pas confondre avec la densité d'énergie , qui est définie comme l'énergie par unité de volume. Elle est utilisée pour quantifier, par exemple, la chaleur stockée et d'autres propriétés thermodynamiques des substances telles que l'énergie interne spécifique , l'enthalpie spécifique , l'énergie libre de Gibbs spécifique et l'énergie libre de Helmholtz spécifique . Elle peut également être utilisée pour l' énergie cinétique ou l'énergie potentielle d'un corps. L'énergie spécifique est une propriété intensive , tandis que l'énergie et la masse sont des propriétés extensives .

L' unité SI pour l'énergie spécifique est le joule par kilogramme (J/kg). D'autres unités encore utilisées dans le monde entier dans certains contextes sont la kilocalorie par gramme (Cal/g ou kcal/g), principalement dans les domaines liés à l'alimentation, et les wattheures par kilogramme dans le domaine des batteries. Dans certains pays, l' unité impériale BTU par livre (Btu/lb) est utilisée dans certains domaines de l'ingénierie et des techniques appliquées.

L'énergie spécifique a les mêmes unités que la force spécifique , qui est liée à l'énergie spécifique maximale de rotation qu'un objet peut avoir sans voler en éclats à cause de la force centrifuge . Le concept d'énergie spécifique est lié à la notion d' énergie molaire en chimie , mais en est distinct, c'est-à-dire l'énergie par mole d'une substance, qui utilise des unités telles que les joules par mole, ou les calories par mole, plus anciennes mais toujours largement utilisées.

Le tableau suivant montre les facteurs de conversion en J/kg de certaines unités non SI :

Unité	Équivalent SI
kcal/g	4,184 MJ/kg
Wh/kg	3,6 kJ/kg
kWh/kg	3,6 MJ/kg
Btu /lb	2,326 kJ/kg
Btu/lb	2,32444 kJ/kg

Pour un tableau donnant l'énergie spécifique de nombreux carburants différents ainsi que des batteries, voir l'article Densité énergétique .

Pour les rayonnements ionisants , le gray est l'unité SI de l'énergie spécifique absorbée par la matière, appelée dose absorbée , à partir de laquelle l'unité SI, le sievert, est calculée pour l'effet stochastique sur la santé des tissus, appelé équivalent de dose . Le Comité international des poids et mesures déclare : « Afin d'éviter tout risque de confusion entre la dose absorbée D et l' équivalent de dose H , il convient d'utiliser les noms spéciaux des unités respectives, c'est-à-dire que le nom gray doit être utilisé à la place de joules par kilogramme pour l'unité de dose absorbée D et le nom sievert à la place de joules par kilogramme pour l'unité d'équivalent de dose H. »

La densité énergétique est la quantité d'énergie par masse ou volume d'aliment. La densité énergétique d'un aliment peut être déterminée à partir de l'étiquette en divisant l'énergie par portion (généralement en kilojoules ou calories alimentaires ) par la taille de la portion (généralement en grammes, millilitres ou onces liquides). Une unité énergétique couramment utilisée dans les contextes nutritionnels dans les pays non métriques (par exemple les États-Unis) est la « calorie alimentaire », la « calorie alimentaire » ou la « Calorie » avec un « C » majuscule et est généralement abrégée en « Cal ». Une calorie nutritionnelle équivaut à mille calories chimiques ou thermodynamiques (abrégées « cal » avec un « c » minuscule) ou à une kilocalorie (kcal). L'énergie alimentaire étant généralement mesurée en calories, la densité énergétique des aliments est communément appelée « densité calorique ». Dans le système métrique, l'unité énergétique couramment utilisée sur les étiquettes des aliments est le kilojoule (kJ) ou le mégajoule (MJ). La densité énergétique est donc communément exprimée en unités métriques de cal/g, kcal/g, J/g, kJ/g, MJ/kg, cal/mL, kcal/mL, J/mL ou kJ/mL.

La densité énergétique mesure l'énergie libérée lorsque la nourriture est métabolisée par un organisme sain lorsqu'il l'ingère (voir l'énergie alimentaire pour le calcul). Dans les environnements aérobies, cela nécessite généralement de l'oxygène comme apport et génère des déchets tels que le dioxyde de carbone et l'eau. Outre l'alcool , les seules sources d'énergie alimentaire sont les glucides , les graisses et les protéines , qui représentent 90 % du poids sec des aliments. Par conséquent, la teneur en eau est le facteur le plus important dans le calcul de la densité énergétique. En général, les protéines ont des densités énergétiques plus faibles (≈16 kJ/g) que les glucides (≈17 kJ/g), tandis que les graisses fournissent des densités énergétiques beaucoup plus élevées (≈38 kJ/g), 2+1 ⁄ 4 fois plus d’énergie. Les graisses contiennent plus de liaisons carbone-carbone et carbone-hydrogène que les glucides ou les protéines, ce qui donne une densité énergétique plus élevée. Les aliments qui tirent la majeure partie de leur énergie des graisses ont une densité énergétique beaucoup plus élevée que ceux qui tirent la majeure partie de leur énergie des glucides ou des protéines, même si la teneur en eau est la même. Les nutriments ayant une absorption plus faible, comme les fibres ou les alcools de sucre , réduisent également la densité énergétique des aliments. Une densité énergétique modérée serait de 1,6 à 3 calories par gramme (7-13 kJ/g) ; le saumon, la viande maigre et le pain entreraient dans cette catégorie. Les aliments à forte densité énergétique contiennent plus de trois calories par gramme (> 13 kJ/g) et comprennent les craquelins, le fromage, le chocolat, les noix, et les aliments frits comme les chips de pomme de terre ou les tortillas.

La densité énergétique est parfois plus utile que l'énergie spécifique pour comparer les carburants. Par exemple, l' hydrogène liquide a une énergie spécifique (énergie par unité de masse) plus élevée que l'essence , mais une densité énergétique volumétrique bien plus faible.

L'énergie mécanique spécifique , plutôt que simplement l'énergie, est souvent utilisée en astrodynamique , car la gravité modifie les énergies spécifiques cinétiques et potentielles d'un véhicule de manière indépendante de la masse du véhicule, ce qui est cohérent avec la conservation de l'énergie dans un système gravitationnel newtonien .

L'énergie spécifique d'un objet tel qu'un météoroïde tombant sur la Terre depuis l'extérieur du puits gravitationnel de la Terre est au moins égale à la moitié du carré de la vitesse de libération de 11,2 km/s. Cela équivaut à 63 MJ/kg (15 kcal/g, ou 15 tonnes d'équivalent TNT par tonne). Les comètes ont encore plus d'énergie, se déplaçant généralement par rapport au Soleil, lorsqu'elles se trouvent à proximité, à environ la racine carrée de deux fois la vitesse de la Terre. Cela équivaut à 42 km/s, soit une énergie spécifique de 882 MJ/kg. La vitesse par rapport à la Terre peut être plus ou moins élevée, selon la direction. Comme la vitesse de la Terre autour du Soleil est d'environ 30 km/s, la vitesse d'une comète par rapport à la Terre peut varier de 12 à 72 km/s, cette dernière correspondant à 2592 MJ/kg. Si une comète de cette vitesse tombait sur Terre, elle gagnerait 63 MJ/kg supplémentaires, soit un total de 2655 MJ/kg avec une vitesse de 72,9 km/s. Comme l'équateur se déplace à environ 0,5 km/s, la vitesse d'impact a une limite supérieure de 73,4 km/s, ce qui donne une limite supérieure pour l'énergie spécifique d'une comète frappant la Terre d'environ 2690 MJ/kg.

Si la comète Hale-Bopp (50 km de diamètre) avait frappé la Terre, elle aurait vaporisé les océans et stérilisé la surface de la Terre.

• Énergie cinétique par unité de masse : ⁠1/2⁠ v ² , où v est la vitesse (donnant J/kg lorsque v est en m/s). Voir aussi énergie cinétique par unité de masse des projectiles .
• Énergie potentielle par rapport à la gravité, près de la Terre, par unité de masse : gh , où g est l'accélération due à la gravité ( normalisée à ≈9,8 m/s ² ) et h est la hauteur au-dessus du niveau de référence (donnant J/kg lorsque g est en m/s ² et h en m).
• Chaleur : les énergies par unité de masse sont la capacité thermique spécifique multipliée par la différence de température , la chaleur spécifique de fusion et la chaleur spécifique de vaporisation.