Energia

L’energia es una grandor fisica caracteristica d'un sistèma fisic que garda la meteissa valor dins lo corrent de totei lei transformacions intèrnas d'aqueu sistèma e qu'exprimís sa capacitat de modificar l'estat d'autrei sistèmas. Son unitat dins lo sistèma internacionau es lo joule. Es una grandor importanta de la fisica car permet de descriure lei concèptes de trabalh e de calor.

La nocion modèrna d'energia es apareguda durant lo sègle xvii amb l'emergéncia de la mecanica newtoniana. N'existís plusors formas diferentas que son nombre pòu variar segon lei disciplinas consideradas. Entre lei pus frequentas, se pòu citar l'energia mecanica, l'energia quimica, l'energia intèrna, l'energia nucleara e l'energia electromagnetica. L'energia es tanben liada a la massa per la relacion famosa descubèrta per Albert Einstein : E = mc².

En mai dau joule, d'autreis unitats d'energia pòdon èsser utilizadas. L'electronvolt es ansin d'usatge frequent en fisica dei particulas car es ben adaptat ai calculs presents dins aquela disciplina. Dins certanei tèxtes ancians, se pòu tanben veire la caloria e la quilocaloria. Desenant dicha « caloria », es encara fòrça utilizada en medecina.

Istòria

La nocion d'energia es apareguda durant l'Antiquitat dins lei trabalhs de filosòfs grècs coma Aristòtel (384-322 avC)^[1]. Lo tèrme significava « activitat » ò « operacion ». S'escriviá ἐνέργεια que foguèt latinizat en energeia. Pasmens, dins la pensada grèga antica, èra un concèpte filosofic qualitatiu susceptible d'englobar d'idèas coma lo gaug ò lo plaser. Èra tanben vista coma una nocion en oposicion amb la « fòrça en poissança » (δύναμις / dýnamis).

La nocion modèrna d'energia foguèt probablament imaginada per lo sabent alemand Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716) au començament dau sègle xvii durant lo periòde de mesa en plaça de la mecanica newtoniana. Suggeriguèt l'existéncia d'una vis viva, egala a mv²^[2], e descurbiguèt lo principi de la conservacion de l'energia mecanica dins certanei sistèmas fisics^[3]. Dins aquò, sei teorias foguèron presas dins de garolhas « nacionalistas » amb lei partisans dei teorias de René Descartes (1596-1650) en França e d'Isaac Newton (1642-1727) en Anglatèrra. Ansin, l'elèit scientific d'aquelei país negligiguèt lei trabalhs de Leibniz durant plusors decennis. Aquela situacion durèt fins ai trabalhs de traduccion d'Émilie du Châtelet (1706-1749) qu'introduguèt lei teorias newtonianas en França en integrant d'apòrts de Leibniz regardant l'energia^[4]. De mai, formulèt tornarmai lo principi de la conservacion de l'energia mecanica dins certanei sistèmas e establiguèt una diferéncia clara entre l'energia – qu'èra totjorn dich « fòrça viva » – e la quantitat de movement.

La premiera utilizacion dau tèrme energia dins son sens modèrna data probablament de 1807. Foguèt l'òbra de Thomas Young (1773-1829) durant sei trabalhs sus l'estudi de la tension de superficia^[5]. Puei, en 1829, Gaspard-Gustave de Coriolis (1792-1843) prepausèt la premiera descripcion modèrna de l'energia cinetica^[6]^[7]. Aqueu trabalh foguèt seguit per la premiera definicion de l'energina potenciala donada per William Rankine (1820-1872) en 1853^[8]. En parallèl, lo desvolopament de la termodinamica entraïnèt l'emergéncia de questions quant a la natura de la calor e, d'un biais pus generau, dei transferiments termics. Aquò durèt fins a la descubèrta d'un liame entre lo trabalh mecanic e la calor en 1845 per James Prescott Joule (1818-1889), descubèrta majora que permetèt de liar la mecanica e la termodinamica^[9].

Aquela darriera disciplina foguèt un vector major d'avançada dins l'estudi de la nocion d'energia durant la segonda mitat dau sègle xix. D'efiech, après la formalizacion de la premiera version de la conservacion de l'energia per lord Kelvin (1824-1907), son aplicacion a la quimia permetèt de desvolopar d'explicacions energeticas dei procès quimics. Rudolf Clausius (1822-1888), Josiah Willard Gibbs (1839-1903) e Walther Nernst (1864-1941) foguèron leis actors principaus d'aqueu movement^[10]^[11]. Aquò menèt tanben a la premiera definicion de l'entropia, per Clausius, e ai descubèrtas de Josef Stefan (1835-1893) sus lo raionament deis objèctes.

Au començament dau sègle xx, lei trabalhs d'Albert Einstein (1879-1955) sus la relativitat transformèron radicament la concepcion de l'energia. En particular, la relacion famosa E = mc² establiguèt un liame novèu entre la massa e l'energia^[12]. En 1918, aquelei descubèrtas menèron a la formulacion dau teorèma de Noether que definís plusors relacions de conservacion. Segon aquela teoria, la conservacion de l'energia es una consequéncia de l'invariància dei lèis de la fisica^[13]. Uei, lei teorias fisicas dau modèl estandard de la fisica considèran donc que la conservacion de l'energia es una consequéncia matematica dircèta de la simetria de translacion dau temps qu'es la grandor conjugada de l'energia.

Lei formas principalas d'energia

Per de rasons practicas, diferentei formas d'energia son estadas definidas per leis scientifics. D'efiech, dins la màger part dei disciplinas, l'energia aparéis sota de formas relativament aisadas d'identificar. Aqueu fenomèn es un element important car es sovent integrat dins de descripcions ò de modèls coma, per exemple, aqueu de la liason quimica. Pasmens, dins lei fachs, existís unicament una forma d'energia e lei descripcions aicí dessota son donc de simplificacions frequentament utilizadas.

L'energia mecanica

Fotografia d'un crash-tèst, un exemple de conversion de l'energia cinetica en d'autrei formas d'energia.

Article detalhat: Energia mecanica.

L'energia mecanica es una quantitat utilizada en mecanica classica per designar l'energia d'un sistèma emmagazinada sota forma d'energia cinetica e d'energia potenciala. Es una quantitat qu'es conservada en l'abséncia de fòrças non conservativas aplicadas au sistèma^[14]. L'energia mecanica, que despend de la velocitat, es pas un invariant galilean : despend dau referenciau chausit per descriure lo movement dau sistèma.

L'utilizacion pus frequenta de l'energia mecanica es lo teorèma de l'energia mecanica. Per un còrs pontuau de massa m constanta percorrent un camin anant d'un ponch A a un ponch B, la variacion d'energia mecanica es egala a la sòma dei trabalhs W dei fòrças non conservativas interioras e exterioras que s'exercisson sus aqueu còrs :

\Delta E_{m_{AB}}=E_{m_{B}}-E_{m_{A}}=\sum {W_{F_{_{nc}ext/int}}^{AB}}

Aqueu teorèma se simplifica fòrça en l'abséncia de fòrças non conservativas. Se fau tanben nòtar que lo teorèma de Bernoulli es una forma particulara d'aquela relacion.

L'energia quimica

Fotografia d'una reaccion aluminotermica, un exemple de reaccion exotermica utilizada per soudar doas pèças metallicas.

Article detalhat: Liame quimic.

L'energia quimica es la forma d'energia qu'es mesa en jòc dins l'establiment dei liasons quimicas. Lo ròtle d'aquela energia s'obsèrva durant lei reaccions quimicas. En particular, permet de descriure lo mecanisme reaccionau permetent d'obtenir un produch a partir d'un reactiu. Permet tanben d'explicar lo caractèr endotermic ò exotermic d'una reaccion. D'efiech, coma l'establiment d'una liason quimica necessita una certana quantitat d'energia, la rompedura e la formacion de liasons durant una reaccion son acompanhadas per de fenomèns d'absorpcion ò de liberacion d'energia.

Ansin, dins lo cas d'una reaccion endotermica, l'energia dei liasons dei produchs de la reaccion es superiora a aquela dei reactius. Per aver luòc, aquela reaccion a donc besonh d'un apòrt exterior d'energia. Dins lei fachs, aquò se tradutz per una consumacion de calor que pòu entraïnar un refrejament marcat dau mitan reaccionau ò de son environament. Dins lo cas d'una reaccion exotermica, es l'efiech opausat qu'es observat. L'energia dei liasons dei produchs es inferiora a aquela dei reactius. L'excès d'energia es donc liberat sota forma de calor. Aqueu fenomèn entraïna una aumentacion de la temperatura dau mitan reaccionau ò de son environament.

La nocion d'energia quimica es fòrça importanta en termoquimia, la branca eissida de la mescla de la quimia generala e de la termodinamica. Domeni fondamentau de la quimia modèrna, estúdia lei cambis d'energia dins lei mitans reaccionaus e permet de descriure e de preveire divèrsei mecanismes reaccionaus.

L'energia intèrna

Article detalhat: Energia intèrna.

L'energia intèrna U es l'energia contenguda dins un sistèma termodinamic. Es egala a la soma de l'energia cinetica de cada entitat elementària de massa non nulla e de totei leis energias potencialas d'interaccion d'aqueleis entitats. Correspònd donc a l'energia intrinsèca dau sistèma au nivèu microscopic. Leis energias cinetica e potenciala observadas au nivèu macroscopic son excluchas d'aquela grandor^[15].

En causa de la complexitat deis interaccions entre leis entitats elementàrias d'un sistèma, es impossible de calcular la valor de l'energia intèrna d'un sistèma. En revènge, es possible de mesurar sa variacion qu'es liada ai cambis d'energia, sota forma de trabalh W ò de calor Q, entre lo sistèma e lo mitan exterior :

\Delta U=W+Q~

Aquela relacion a de consequéncias importantas en termodinamica car permet de liar la variacion d'energia intèrna a de grandors relativament aisadas de mesurar coma lo volum, la temperatura e la pression. Permet tanben de l'estacar a d'autrei grandors importantas coma l'entropia ò l'entalpia. Ansin, l'energia intèrna intervèn dins fòrça modèls termodinamics e es un element major de la fisica modèrna.

L'energia nucleara

Article detalhat: Radioactivitat.

Lo tèrme « energia nucleara » a de sens multiples. En fisica dei particulas, correspònd a l'energia associada a la fòrça de coesion dei nucleons (protons e neutrons) que constituisson lo nuclèu d'un atòm. Lei reaccions nuclearas son lei transformacions dau nuclèu que libèran aquela energia. N'existís plusors tipes diferents coma la fission nucleara e la fusion nucleara. Aquela transformacions son fòrça importantas dins la societat modèrna car son a la basa de mai d'una tecnologia modèrna dins lei domenis de la produccion d'electricitat, de l'armament ò de l'imatjariá medicala.

L'energia electromagnetica

Article detalhat: Electromagnetisme.

L'energia electromagnetica es l'energia dau camp electromagnetic contengut dins un volum donat de l'espaci a un instant donat. Correspònd a la generalizacion dei concèptes d'energia electrostatica, associada a un camp electric, e d'energia magnetica associada a un camp magnetic. D'efiech, se lei camps electric e magnetic d'una onda electromagnetica son indissociables, es possible de tractar formalament lei dos elements d'un biais separat.

Generalament, aquela energia se consèrva pas. Es a dire que la variacion d'energia electromagnetica dins una region donada es pas egala au flux d'energia que passa a travèrs la superficia delimitant aquela region. En particular, una partida de l'energia pòu èsser transferida ai cargas e ai corrents presents dins aquela region de l'espaci (teorèma de Poynting). Per n'estocar una partida, es necessari de la transformar en una autra forma d'energia. Per exemple, un accumulator electric permet de transformar l'energia electrica en energia quimica per la restituir pus tard.

La conservacion de l'energia

Article detalhat: Conservacion de l'energia.

La conservacion de l'energia es un principi fisic fondamentau qu'estipula que l'energia totala d'un sistèma isolat es invarianta. Ansin, es pas possible de crear ò de destrurre l'energia. Es unicament possible de realizar de transferiments entre divèrsei formas diferentas d'energia. L'aspècte fondamentau d'aqueu principi es tant centrau dins la fisica modèrna que leis experiéncias que semblavan pas lo respectar an generalament menat a de descubèrtas importantas. Per exemple, la dificultat d'explicar lo bilanç energetic d'una reaccion nucleara a entraïnat la descubèrta de l'equivaléncia massa-energia.

Lei transferiments d'energia principaus

Lo trabalh

Article detalhat: Trabalh (fisica).

Lo trabalh d'una fòrça es l'energia provesida per aquela fòrça quand son ponch d'aplicacion se desplaça, es a dire quand l'objècte subissent la fòrça se desplaça ò se desforma. Es un transferiment ordonat d'energia entre un sistèma e un mitan exterior. Per exemple, dins lo cas d'una automobila, lo trabalh de la propulsion es l'energia producha per aquela propulsion. Lo trabalh es generalament notat W e coma correspònd a un transferiment d'energia, son unitat es lo joule (J).

La calor

Article detalhat: Calor.

La calor es un transferiment desordonat d'energia entre un sistèma e lo mitan exterior. Correspònd a un transferiment d'agitacion termica entre particulas. L'aspècte aleatòri dei movements d'aquelei particulas es a l'origina de l'aspècte desordonat d'aqueu transferiment de calor. Per aquela rason, es impossible de totalament convertir l'energia termica en trabalh. En revènge, lo contrari es possible (per exemple, amb l'efiech Joule). La calor es generalament notada Q e, coma es un transferiment de calor, son unitat es lo joule (J).

Lo raionament

Article detalhat: Raionament.

Lo raionament correspònd a un transferiment d'energia per propagacion d'ondas electromagneticas ò per desintegracion radioactiva. Pòu aver dins totei lei mitans, compres lo vuege. Divèrsei tipes de raionament son definits, generalament a partir dei particulas que lo constituisson. Per exemple, un rai X es fach de fotons tenent una energia situada entre quauquei centenaus d'electronvolts (eV) e quauquei megaelectronvolts.

Annèxas

Liames intèrnes

Bibliografia

(en) G. N. Alekseev, Energy and Entropy, Mir Publishers, 1986.
(en) P.W. Atkins, Physical Chemistry, 3^a ed., Oxford University Press, 1985.
(fr) Michel Le Bellac, Le monde quantique, EDP sciences, 2010.
(fr) Gaspard-Gustave Coriolis, Sur une nouvelle dénomination et sur une nouvelle unité à introduire dans la dynamique, Académie des sciences, 1826.
(en) Hermann Haken, Hans Christoph Wolf e W. D. Brewer, The Physics of Atoms and Quanta : Introduction to Experiments and Theory, Springer, 2005.
(en) Katalin Martinás, « Aristotelian Thermodynamics », Thermodynamics: history and philosophy: facts, trends, debates (Veszprém, Ongria 23–28 de julhet de 1990), pp. 285-303.
(fr) José-Philippe Pérez e Olivier Pujol, Mécanique : fondements et applications, Dunod, 2014.
(en) William John Macquorn Rankine, « On the general law of the transformation of energy », Proceedings of the Philosophical Society of Glasgow, vol. 3, n° 5, pp. 276–280.
(fr) G. Pannetier, Chimie physique générale. Atomistique, liaisons chimiques et structures moléculaires, Éd. Masson, 1969, p. 309.
(en) H.J. Steffens, James Prescott Joule and the Concept of Energy, Watson, 1979.
(fr) Luc Valentin, Le monde subatomique : des quarks aux centrales nucléaires, Hermann, 1997.

Nòtas e referéncias

↑ (fr) Emmanuel Trépanier, « De l’imposition seconde du terme ἐνέργεια chez Aristote », Laval théologique et philosophique, vol. 39, n° 1, 1983, pp. 7-11.
↑ Es a dire lo doble de l'energia cinetica modèrna.
↑ (en) Roger Ariew e Daniel Garber (dir.), Leibniz: Philosophical Essays, Hackett, 1989, pp. 155-186.
↑ (fr) Mireille Touzery, « Émilie Du Châtelet, un passeur scientifique au XVIIIe siècle. D’Euclide à Leibniz », La revue pour l’histoire du CNRS, n° 21,‎ 3 de julhet de 2008.
↑ (de) Wilhelm Weber, « Elektrodynamische Massbestimmungen insbesondere über die Energie der Wechselwirkung », Abhandlungen der Mathematisch-Physischen Classe der königlich Sächsischen Gesellschaft der Wissenschaften, S. Hirzel, 1878, p. 650.
↑ (fr) Gaspard-Gustave de Coriolis, Du calcul de l'effet des machines, ou considérations sur l'emploi des moteurs et sur leur évaluation, pour servir d'introduction à l'étude spéciale des machines, Carilian-Gœury, Libraire des corps royaux des ponts et chaussées et des mines, 1829.
↑ Lo tèrme « energia cinetica » foguèt prepausat entre 1849 e 1851 per lord Kelvin (Crosbie Smith e M. Norton Wise, Energy and Empire: A Biographical Study of Lord Kelvin, Cambridge University Press, p. 866).
↑ (en) Crosbie Smith, The Science of Energy – a Cultural History of Energy Physics in Victorian Britain, The University of Chicago Press, 1998.
↑ (en) « On the Mechanical Equivalent of Heat », Notices and Abstracts of Communications to the British Association for the Advancement of Science, vol. 15, 1845.
↑ (en) L. P. Wheeler, Josiah Willard Gibbs, The History of a Great Mind, Ox Bow Press, 1998.
↑ (en) Diana Kormos Barkan, Walther Nernst and the Transition to Modern Physical Science, Cambridge University Press, 1998.
↑ (fr) Jean Eisenstaedt, Einstein et la relativité générale, CNRS Éditions, 2007.
↑ (en) G. Lofts, D. O'Keeffe et al. « 11 – Mechanical Interactions », Jacaranda Physics 1 (2 ed.), John Willey & Sons Australia Ltd., 2004, p. 286.
↑ Lei fòrças non conservativas pus frequentas son lei fretaments.
↑ (fr) P.W. Atkins, Chaleur & Désordre - Le Second Principe de la thermodynamique, colleccion L'univers des sciences, Belin/Pour La Science, 1987.

[1] (fr) Emmanuel Trépanier, « De l’imposition seconde du terme ἐνέργεια chez Aristote », Laval théologique et philosophique, vol. 39, n° 1, 1983, pp. 7-11.

[2] Es a dire lo doble de l'energia cinetica modèrna.

[3] (en) Roger Ariew e Daniel Garber (dir.), Leibniz: Philosophical Essays, Hackett, 1989, pp. 155-186.

[4] (fr) Mireille Touzery, « Émilie Du Châtelet, un passeur scientifique au XVIIIe siècle. D’Euclide à Leibniz », La revue pour l’histoire du CNRS, n° 21,‎ 3 de julhet de 2008.

[5] (de) Wilhelm Weber, « Elektrodynamische Massbestimmungen insbesondere über die Energie der Wechselwirkung », Abhandlungen der Mathematisch-Physischen Classe der königlich Sächsischen Gesellschaft der Wissenschaften, S. Hirzel, 1878, p. 650.

[6] (fr) Gaspard-Gustave de Coriolis, Du calcul de l'effet des machines, ou considérations sur l'emploi des moteurs et sur leur évaluation, pour servir d'introduction à l'étude spéciale des machines, Carilian-Gœury, Libraire des corps royaux des ponts et chaussées et des mines, 1829.

[7] Lo tèrme « energia cinetica » foguèt prepausat entre 1849 e 1851 per lord Kelvin (Crosbie Smith e M. Norton Wise, Energy and Empire: A Biographical Study of Lord Kelvin, Cambridge University Press, p. 866).

[8] (en) Crosbie Smith, The Science of Energy – a Cultural History of Energy Physics in Victorian Britain, The University of Chicago Press, 1998.

[9] (en) « On the Mechanical Equivalent of Heat », Notices and Abstracts of Communications to the British Association for the Advancement of Science, vol. 15, 1845.

[10] (en) L. P. Wheeler, Josiah Willard Gibbs, The History of a Great Mind, Ox Bow Press, 1998.

[11] (en) Diana Kormos Barkan, Walther Nernst and the Transition to Modern Physical Science, Cambridge University Press, 1998.

[12] (fr) Jean Eisenstaedt, Einstein et la relativité générale, CNRS Éditions, 2007.

[13] (en) G. Lofts, D. O'Keeffe et al. « 11 – Mechanical Interactions », Jacaranda Physics 1 (2 ed.), John Willey & Sons Australia Ltd., 2004, p. 286.

[14] Lei fòrças non conservativas pus frequentas son lei fretaments.

[15] (fr) P.W. Atkins, Chaleur & Désordre - Le Second Principe de la thermodynamique, colleccion L'univers des sciences, Belin/Pour La Science, 1987.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]