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L’énergie ne peut pas être créée ou détruite, ce qui signifie que la quantité totale d’énergie dans l’univers a toujours été et sera toujours constante. Cependant, cela ne signifie pas que l’énergie est immuable; elle peut changer de forme et même se transférer entre les objets.
Un exemple courant de transfert d’énergie que nous voyons dans la vie quotidienne est le transfert d’énergie cinétique — l’énergie associée au mouvement — d’un objet en mouvement à un objet stationnaire via le travail. En physique, le travail est une mesure du transfert d’énergie et fait référence à la force appliquée par un objet sur une distance. Lorsqu’un club de golf est balancé et frappe une balle de golf stationnaire, une partie de l’énergie cinétique du club se transfère à la balle lorsque le club « travaille » sur la balle. Dans un transfert d’énergie tel que celui-ci, l’énergie se déplace d’un objet à un autre, mais reste sous la même forme. Un transfert d’énergie cinétique est facile à observer et à comprendre, mais d’autres transferts importants ne sont pas aussi faciles à visualiser.
L’énergie thermique est liée à l’énergie interne d’un système en raison de sa température. Lorsqu’une substance est chauffée, sa température augmente car les molécules dont elle est composée se déplacent plus rapidement et gagnent de l’énergie thermique par transfert de chaleur. La température est utilisée comme mesure du degré de « chaleur » ou de « froideur » d’un objet, et le terme chaleur est utilisé pour désigner l’énergie thermique transférée d’un système plus chaud à un système plus froid. Les transferts d’énergie thermique se produisent de trois manières: par conduction, convection et rayonnement.
Lorsque l’énergie thermique est transférée entre des molécules voisines qui sont en contact les unes avec les autres, on parle de conduction. Si une cuillère en métal est placée dans une casserole d’eau bouillante, même la fin ne touchant pas l’eau devient très chaude. Cela se produit parce que le métal est un conducteur efficace, ce qui signifie que la chaleur traverse facilement le matériau. Les vibrations des molécules au bout de la cuillère touchant l’eau se propagent dans toute la cuillère, jusqu’à ce que toutes les molécules vibrent plus rapidement (i.e., la cuillère entière devient chaude). Certains matériaux, tels que le bois et le plastique, ne sont pas de bons conducteurs — la chaleur ne traverse pas facilement ces matériaux — et sont plutôt appelés isolants.
La convection se produit uniquement dans les fluides, tels que les liquides et les gaz. Lorsque l’eau est bouillie sur une cuisinière, les molécules d’eau au fond du pot sont les plus proches de la source de chaleur et gagnent d’abord en énergie thermique. Ils commencent à se déplacer plus rapidement et à s’étaler, créant une densité de molécules plus faible au fond du pot. Ces molécules remontent ensuite vers le haut du pot et sont remplacées au fond par de l’eau plus fraîche et plus dense. Le processus se répète, créant un courant de molécules qui s’enfonce, se réchauffe, monte, se refroidit et s’enfonce à nouveau.
Le troisième type de transfert de chaleur — le rayonnement — est essentiel à la vie sur Terre et est important pour chauffer les plans d’eau. Avec le rayonnement, une source de chaleur n’a pas à toucher l’objet chauffé; le rayonnement peut transférer de la chaleur même à travers le vide de l’espace. Presque toute l’énergie thermique sur Terre provient du soleil et rayonne à la surface de notre planète, voyageant sous la forme d’ondes électromagnétiques, telles que la lumière visible. Les matériaux sur Terre absorbent ensuite ces ondes pour les utiliser comme énergie ou les renvoyer dans l’espace.
Dans une transformation énergétique, l’énergie change de forme. Une balle assise au sommet d’une colline a une énergie potentielle gravitationnelle, qui est le potentiel d’un objet à effectuer un travail en raison de sa position dans un champ gravitationnel. D’une manière générale, plus cette boule est haute sur la colline, plus elle a d’énergie potentielle gravitationnelle. Lorsqu’une force le pousse en bas de la colline, cette énergie potentielle se transforme en énergie cinétique. La balle continue de perdre de l’énergie potentielle et de gagner de l’énergie cinétique jusqu’à ce qu’elle atteigne le bas de la colline.
Dans un univers sans friction, la balle continuerait à rouler pour toujours en atteignant le fond, car elle n’aurait que de l’énergie cinétique. Sur Terre, cependant, la balle s’arrête au bas de la colline en raison de l’énergie cinétique transformée en chaleur par la force de frottement opposée. Tout comme pour les transferts d’énergie, l’énergie est conservée dans les transformations.
Dans la nature, les transferts d’énergie et les transformations se produisent constamment, comme dans un environnement de dunes côtières.
Lorsque l’énergie thermique rayonne du soleil, elle réchauffe à la fois la terre et l’océan, mais l’eau a une capacité thermique élevée spécifique, de sorte qu’elle se réchauffe plus lentement que la terre. Cette différence de température crée un courant de convection, qui se manifeste alors sous forme de vent.
Ce vent possède une énergie cinétique, qu’il peut transférer aux grains de sable de la plage en les transportant sur une courte distance. Si le sable en mouvement heurte un obstacle, il s’arrête à cause du frottement créé par le contact et son énergie cinétique est alors transformée en énergie thermique, ou chaleur. Une fois que suffisamment de sable s’accumule au fil du temps, ces collisions peuvent créer des dunes de sable, et peut-être même un champ de dunes entier.
Ces dunes de sable nouvellement formées offrent un environnement unique aux plantes et aux animaux. Une plante peut pousser dans ces dunes en utilisant l’énergie lumineuse rayonnée par le soleil pour transformer l’eau et le dioxyde de carbone en énergie chimique, qui est stockée dans le sucre. Lorsqu’un animal mange la plante, il utilise l’énergie stockée dans ce sucre pour chauffer son corps et se déplacer, transformant l’énergie chimique en énergie cinétique et thermique.
Bien que cela ne soit pas toujours évident, les transferts d’énergie et les transformations se produisent constamment tout autour de nous et sont ce qui permet à la vie telle que nous la connaissons d’exister.