Document de cours de référence

6. Énergie et Travail 85
On peut bien sûr relaxer cette condition pour inclure des forces internes qui ne produisent aucun
travail, telles les forces magnétiques.
6.8 Conservation de l’énergie et formes d’énergie
Nous venons de voir que si les forces mutuelles des différentes particules d’un système sont conservatives
(ou perpendiculaires à la vitesse), alors il est possible de définir une énergie potentielle U
telle que l’énergie totale du système
E = ∑ i
1
2 mv2 i + U (6.74)
est conservée en l’absence de forces extérieures. C’est la loi de la conservation de l’énergie dans sa
forme applicable à un système de particules. La conservation de l’énergie a une valeur universelle qui
s’étend à toutes les interaction fondamentales connues et, par extensions, à toutes les forces macroscopiques
possibles, ces dernières dérivant des forces fondamentales (électromagnétiques, forte,
faible et gravitationnelle).
La subtilité qui a longtemps camouflé la loi de conservation de l’énergie est l’impossibilité de
considérer l’énergie cinétique totale en fonction du seul mouvement macroscopique d’un objet.
Dans l’agitation microscopique des atomes réside une énergie cinétique considérable, contribuant
à l’énergie interne d’un objet. Ce n’est qu’au XIX e siècle qu’on élabora la théorie mécanique de
la chaleur, c’est-à-dire qu’on réalisa que la chaleur passant d’un objet à un autre n’est pas une
forme subtile de matière, mais plutôt un transport d’énergie cinétique et potentielle internes. C’est
le physicien et physiologiste allemand Helmholtz qui répandit le plus l’idée de l’universalité de la
conservation de l’énergie, en particulier chez les êtres vivants. La loi de conservation de l’énergie est
considérée comme si solide, qu’on est allé jusqu’à postuler, à la fin des années 1920, l’existence d’une
nouvelle particule (le neutrino) dans le but d’expliquer un phénomène nucléaire (la désintégration
beta) dans lequel l’énergie n’était en apparence pas conservée.
Lorsqu’un système n’est pas isolé, son énergie n’est généralement pas conservée, même si l’énergie
du système plus celle de son environnement est conservée au total. En fait, si on désigne par W le
travail qu’effectue sur le système l’ensemble des forces externes (causées par l’environnement) lors
d’un certain processus, alors le théorème travail-énergie affirme que le changement d’énergie ∆E
du système est
∆E = W (6.75)
Quand on l’applique aux systèmes macroscopiques qui peuvent échanger de la chaleur avec leur
environnement, cette relation est écrite un peu différemment :
∆E = Q + W mac. (6.76)
où Q est la quantité de chaleur absorbée par le système et W mac. est le travail exercé sur le
système par des forces macroscopiques seulement, c’est-à-dire des forces associées au mouvement
macroscopique de l’objet. On peut considérer, en quelque sorte, que la chaleur donnée au système
est un travail microscopique, exercé par les molécules individuelles de l’environnement du système.
Cette relation est la première loi de la thermodynamique.