Historique du principe de conservation de l’énergie
Le principe de conservation de l'énergie découle des développements d'une nouvelle branche de la physique qui apparut au début du XIXème Siècle : la thermodynamique
La thermodynamique a été crée dans le but limité de comprendre le fonctionnement des machines à vapeur, dont l'invention allait créer la première révolution industrielle, mais cette science a évolué pour devenir une science de portée générale qui traite de l'énergie et ses transformations et tout spécialement de l'énergie thermique, son transfert, sa transformation, sa dégradation et sa dispersion.
Avant de parler du principe de conservation de l'énergie qui s'appelle aussi premier principe de la thermodynamique, nous devrons aborder le problème de la définition de la chaleur, de l'énergie thermique et de son transfert.
L'histoire de la définition de la chaleur est plutôt complexe et, au départ les scientifiques tâtonnent. Il faut dire qu'ils ne disposent pas des clés leur permettant de comprendre largement le phénomène. En effet, la théorie cinétique actuelle, définissant la chaleur dit que celle-ci est due aux chocs des atomes constituant le corps considéré : plus les atomes s'entrechoquent, plus la température du corps est importante, plus il a emmagasiné de chaleur. Il s'agit donc d'un phénomène macroscopique rendant compte d'un phénomène microscopique et implique une bonne connaissance de la théorie atomique. Or, a l'époque où les premiers scientifiques ce sont intéressés à la chaleur, la théorie atomique était inconnue !
A la fin du XVIIIème Siècle, deux théories de ce qu'est la chaleur se côtoient :
- soit on la considère comme un matériau, un "gaz" susceptible de se dégager des corps ou au contraire de les imprégner, c'est la théorie du "feu" initiée au début du XVIIIème Siècle par Hermann Boerhaave, de Leyde en Hollande, ou du "calorique" soutenu par Lavoisier à la fin du XVIIIème Siècle ;
- soit on la considère comme une manifestation du mouvement de on ne sait pas très bien quoi d'ailleurs !
Au départ, la théorie du calorique triomphe, de part l'autorité de Lavoisier, mais aussi parce qu'elle permet d'interpréter un certain nombre d'expériences comme celles relatives aux échanges de chaleur, ce que ne parvient pas à réaliser la théorie du "mouvement" encore mal maîtrisée.
Elle permet, vers 1760, à l'écossais Joseph Black de définir une méthode de mesure de la chaleur : il définit ainsi la calorie (cal) qui est la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température de 1 gramme d'eau de 1 degré Celsius.
Arrive alors l'américain Benjamin Thompson, Comte de Rumford. Il se fixe en Bavière et se spécialise dans le perçage des fûts de canons. Il remarque qu'un foret émoussé, qui ne met plus rien en poudre, n'en continue pas moins à chauffer si on continue à l'actionner. La théorie du calorique ne parvient pas à interpréter cette expérience qui permet de créer pendant un temps infini de la chaleur alors que l'on ne peut extraire indéfiniment de la matière. " Je ne connais qu'une chose, dit Rumford, que l'on puisse ainsi produire indéfiniment, sans transformer la matière : c'est du mouvement ".
Nous sommes en 1798, mais il faudra attendre encore 50 ans pour que cette interprétation énergétique ne triomphe avec Joule.
En 1841, Joule établit la loi donnant l'effet calorifique d'un courant électrique : c'est l'effet Joule.
En 1943, il montre que la chaleur dégagée par le passage du courant résulte de la transformation d'un certain travail mécanique (celui du système de poids dont la chute actionne la dynamo). Puis, par une série d'expériences remarquable, il calcule l'équivalent mécanique de la chaleur : 1 cal = 4,18 J. La théorie du "calorique" est alors définitivement abandonnée, la chaleur résulte bien du mouvement.
Principe de conservation de l'énergie
| L'énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais transférée seulement d'un système à un autre et transformée d'une forme à une autre. L'énergie d'un système isolé est inchangée, elle se conserve globalement mais elle peut subir des transformations, désirées ou non. |
Exemple:
- Moteur électrique: l’énergie électrique est transformée en énergie mécanique et en énergie thermique (les pertes).
- Panneau solaire: l'énergie rayonnée est transformée en énergie électrique et en énergie thermique qui échauffe le panneau.
Ainsi, pour un système donné, l'énergie totale que reçoit le système est égale à l'énergie qu'il fournit plus sa variation d'énergie interne : ΔWR = ΔWI + ΔWF
L'énergie interne du système est de l'énergie stockée sous forme mécanique, thermique, chimique ou nucléaire. Le principe de conservation de l'énergie est l'un des 4 principes centraux de la physique, il est une conséquence de l'homogénéité temporelle de l'univers, c'est-à-dire que les lois physiques sont indépendantes du temps, de l’instant d’observation, dans l'univers.
Bilan de puissance pour un système à énergie interne constante
Considérons un système à énergie interne constante, ce qui est le cas de la majorité des appareils électriques. Si nous appliquons le principe de conservation de l'énergie à un tel système, nous obtenons la relation suivante :
\( \Delta W_A = \Delta W_F \) où
- \( \Delta W_A \) est l'énergie absorbée par le système et
- \( \Delta W_F \)l'énergie fournie par le système à l'extérieur.
Comme le système est à énergie interne constante, cette relation est vrai aussi sur les puissances :
\(\frac{{\Delta {W_A}}}{{\Delta t}} = \frac{{\Delta {W_F}}}{{\Delta t}}\)
donc : \( P_A = P_F \)
Mais, toute la puissance fournie par le système n'est pas utilisée pour ce qu'il doit faire, car une partie est perdue sous forme thermique. On distinguera, dans la puissance fournie, la partie effectivement utilisée pour le bon fonctionnement du système, que l'on appellera puissance utile Pu et la puissance dissipée sous forme de chaleur, que l'on appellera puissance perdue pp ou pertes. Le bilan de puissance d'un système s'écrit de la façon suivante :
\({P_A} = {P_U} + {p_p}\)
Les puissances s'expriment en Watt (W).
Ce schéma fait apparaître la notion de rendement du système.
