L'énergie est une quantité qui, à la différence de la masse, de l'espace ou du temps, n'est pas une chose tangible. On la défini comme étant la capacité à faire du travail. Le travail, lui, est défini comme étant le produit d'une force avec la distance sur laquelle elle est appliquée.

W: travail en joules (J)

F: force en newtons (N)

Δx: changement de position ou distance en mètres (m)

Une manière de comprendre l'énergie est en la comparant avec une monnaie: si on effectue un travail sur une masse, on dépense de l'énergie. La masse, elle, gagne de l'énergie. L'énergie est ainsi un transfert de la capacité à faire du travail d'une chose à une autre.

Une conséquence de cette définition de l'énergie est centrale à la Physique: l'énergie n'est ni créée, ni détruite, elle est simplement transformée d'un type d'énergie à un autre. Pour comprendre comment cela se passe, considérons cette petite histoire.

Quelque part dans le soleil, un électron orbitant le noyau d'un atome descend d'un niveau d'énergie et émet un photon. Ce photon rejoint la surface du soleil et se dirige vers la Terre, accompagné par des milliards d'autres photons sous la forme d'un rayon lumineux. Il traverse l'atmosphère et tombe sur une feuille, où il casse une liaison chimique entre un atome d'hydrogène et un atome d'oxygène. Le chloroplaste de la feuille recombine l'hydrogène avec un atome de carbone, formant après un certain temps une molécule complète de sucre à partir d'eau et de dioxyde de carbone. Le sucre est emmagasiné dans un fruit, qui est mangé plus tard par un enfant. L'enfant joue, et dans ses cellules une molécule de sucre entre en réaction avec du dioxygène, relâchant de l'énergie. L'enfant utilise l'énergie pour lancer un ballon, qui rebondit sur le sol en émettant un son.

Au cours de cette histoire, l'énergie initiale est conservée du début à la fin. Elle est simplement convertie en lumière, sucre, signal électrique dans un muscle, énergie potentielle gravitique, énergie cinétique et enfin une vibration de l'air -mais le parcours de l'énergie ne s'arrête pas là… La fin de l'énergie est un rayon lumineux de basse fréquence qui est trop dilué pour influer sur l'environnement. Elle n'a pas disparu, mais elle n'est plus utile.

On peut donc considérer deux formes d'énergies: l'énergie potentielle, stockée par un objet ou une substance, et l'énergie cinétique, contenue dans le mouvement. Nous allons utiliser l'exemple de la masse qui est soulevé puis qui retombe, mais cet exemple peut s'appliquer à d'autres types d'énergie (température, liaison chimique, courant électrique…).

Reprenons quelques définitions utiles: la vitesse, l'accélération et la force.

v: vitesse en m/s

Δx: changement en position ou distance, en mètres (m)

Δt: changement en temps ou durée, en secondes (s)

a: accélération en m/s²

F: force en newtons (N)

m: masse en kilogrammes (kg)

Analysons maintenant le cas de l'énergie potentielle gravitique E_P. Supposons une masse située à une distance h d'un point de référence. Si cette masse venait à tomber, la force qu'elle ressentirait serait la force due à la gravité:

Le travail qu'exercerait la gravité sur la masse sur toute la distance h serait égal au produit de la force due à la gravité avec la distance h parcourue par la masse. Donc, dans le cas présent, Δx est égal à h. Comme on n'a pas encore fait tomber la masse, ce travail possible est stockée sous forme d'énergie potentielle. En l'absence de toute forme de friction ou de toute autres pertes:

Pour comprendre maintenant l'énergie cinétique E_K, prenons l'exemple d'une masse qu'on accélère sans utiliser la gravité. La force que nous utilisons est alors égale au produit de la masse avec l'accélération qu'on lui applique, et la distance parcourue est Δx. En partant à nouveau de la définition du travail:

On se souvient que l'accélération a est égale au ratio du changement de vitesse sur une durée. On peut alors écrire:

On sait que la distance parcourue Δx est égale à l'aire sous la courbe de vitesse dans un graphique décrivant la vitesse en fonction du temps. Comme la masse accélère, la vitesse augmente linéairement et l'aire est égale à la moitié du produit du changement de vitesse Δv  avec la durée Δt (l'aire du triangle dans le schéma ci-contre). On peut alors réécrire:

On peut alors simplifier l'expression: les Δt  s'annulent, et Δv est simplement la vitesse finale v de la masse m.

On pourrait considérer l'énergie potentielle gravitique et l'énergie cinétique comme deux versions d'une même énergie: l'énergie mécanique. Dans les deux cas, la masse a une quantité d'énergie qui est stockée ou dans une position relative, ou dans un mouvement.

Une masse peut transformer son énergie potentielle en énergie cinétique simplement en tombant. Elle peut faire l'inverse en remontant une pente. Imaginons une balle roulant dans une fosse lisse et sans friction: la balle a d'abord de l'énergie potentielle, mais aucune énergie cinétique. En roulant elle accélère et descend: elle perd en énergie potentielle mais gagne en énergie cinétique. En bas de la fosse, elle n'a plus aucune énergie potentielle, toute son énergie est cinétique. Elle peut alors remonter la pente mais ce faisant, il se produit l'inverse: l'énergie potentielle augmente à nouveau alors que la balle ralenti et son énergie cinétique diminue.

Tout ce verbiage descriptif est simplement décris par un animation montrant une balle roulant dans une fosse. Pour information, cette animation a été faite à partir du calcul de l'énergie potentielle et de l'énergie cinétique à chaque position de la balle.

On sait donc que l'énergie est la capacité à faire du travail. La définition mathématique du travail est:

Cette énergie peut être stockée sous plusieurs formes. Nous avons vu pour l'instant deux formes: énergie potentielle gravitique et énergie cinétique.

L'énergie peut être transférée, ou transformée d'une forme à une autre. Ici, nous avons vu l'énergie passant de potentielle à cinétique et inversement. Dans les sections suivantes nous allons voir comment transformer de l'énergie électrique ou chimique en énergie thermique, et donner des indices sur le type de calculs qu'on peut faire avec ces informations (puissance d'un barrage hydroélectrique, d'une centrale solaire, d'une voiture électrique, etc.).

Si l'énergie est la quantité de travail qu'on peut faire, la puissance est la quantité d'énergie qu'on peut dépenser par unité de temps. En effet, on peut travailler lentement ou rapidement sans que la quantité finale de travail effectué ne change. La seul différence est le temps pris pour effectuer ce travail.

L'unité de la puissance est le watt (W). On trouve d'autres unités de puissance, notamment en électricité pour différencier la puissance fournie (VA) de la puissance consommée (W), mais aussi, pour des raisons historiques, dans l'automobile (chevaux-vapeur cv). Pour information, un cheval-vapeur est égal à environ 735 W.