Quel est le principe de la conservation de l'énergie ?

Le principe de conservation de l’énergie est une règle fondamentale de la physique : dans un système isolé, la quantité totale d’énergie reste constante. L’énergie ne peut donc ni être créée ni détruite ; elle peut seulement passer d’une forme à une autre ou être transférée d’un système à un autre. Cette idée permet de suivre le bilan énergétique d’une transformation, même lorsque l’énergie utile semble diminuer ou disparaître.

Une quantité qui se transforme

Les formes d’énergie sont nombreuses : énergie cinétique liée au mouvement, énergie potentielle liée à une position, énergie chimique, électrique, thermique, lumineuse ou encore nucléaire. Lorsqu’une transformation se produit, la quantité totale doit être conservée si l’on considère un système isolé. Ainsi, l’énergie chimique stockée dans une batterie peut être convertie en énergie électrique, puis en énergie lumineuse dans une ampoule. Une partie devient également de l’énergie thermique, notamment dans la batterie, les fils et l’ampoule. Cette chaleur ne constitue pas une énergie détruite : elle correspond à une autre forme d’énergie produite au cours de la transformation.

Le rôle du système étudié

La conservation de l’énergie dépend du bilan établi pour le système considéré. Un système isolé n’échange ni matière ni énergie avec son environnement ; son énergie totale reste constante. Dans un système qui échange de l’énergie avec l’extérieur, la variation de son énergie s’explique par les transferts reçus ou fournis. Par exemple, dans une centrale hydroélectrique, l’eau située en hauteur possède une énergie potentielle gravitationnelle. En descendant, celle-ci se transforme en énergie cinétique, puis la turbine et l’alternateur convertissent une partie de cette énergie en énergie électrique. Les frottements et les turbulences transforment une autre partie en énergie thermique, mais le bilan global de l’énergie est conservé.

Une formulation en thermodynamique

Le premier principe de la thermodynamique applique cette conservation aux systèmes étudiés par la thermodynamique. Il relie la variation de l’énergie interne d’un système à la chaleur et au travail échangés avec son environnement. Avec la convention où la chaleur et le travail reçus sont positifs, on peut l’écrire sous la forme ΔU = Q + W. La chaleur et le travail ne sont pas des formes d’énergie stockées de la même manière ; ce sont des modes de transfert d’énergie. Dans un moteur, par exemple, l’énergie reçue peut être transformée en travail mécanique, tandis qu’une autre partie est transférée sous forme de chaleur. L’énergie totale n’est pas perdue, même si toute l’énergie disponible ne peut pas être convertie en travail utile. Cette limite relève notamment du deuxième principe de la thermodynamique, et non de la conservation de l’énergie elle-même.

De la mécanique à la physique moderne

Le principe s’applique également lorsque les phénomènes relativistes ou nucléaires doivent être pris en compte. Dans ce cadre, il faut considérer ensemble l’énergie et la masse au repos, conformément à l’équivalence exprimée par la relation E = mc². Lors d’une réaction nucléaire, une variation de masse peut donc être associée à une libération ou à une absorption d’énergie ; il ne s’agit pas d’une création d’énergie à partir de rien, mais d’une transformation au sein d’un bilan global. De même, la création d’une paire de particules doit être compensée par un apport d’énergie, tandis que leur annihilation peut convertir leur énergie en rayonnement. Les phénomènes quantiques ne constituent donc pas une exception au principe : les apparentes disparitions ou apparitions d’énergie résultent d’un bilan incomplet ou d’une transformation dont toutes les composantes n’ont pas été prises en compte.