En physique, l' désigne la capacité d'un système à modifier l'état d'un autre système. Dans le Système international d'unités (SI), l'énergie s'exprime en joules (J) et est de dimension .

À l'échelle macroscopique, l'énergie mécanique dépend de la masse, de la vitesse, de la position, des interactions entre les masses, etc. du système. À l'échelle microscopique, l'énergie interne dépend de la température, de la pression, de la composition chimique, des interactions entre atomes ou molécules, etc. L'énergie totale est la somme des deux précédentes.

L'énergie est une grandeur centrale en physique car elle peut être convertie d'une forme à une autre ; elle ne peut être ni perdue ni créée à partir de rien selon le principe de conservation de l'énergie. Elle reste constante pour un système isolé puisqu'aucune énergie n'est échangée avec l'extérieur.

Définitions Il existe plusieurs définitions de l'énergie qui peuvent être considérées comme équivalentes. L'énergie est aujourd'hui définie comme une grandeur qui dépend de divers paramètres caractéristiques de l'état d'un système — . Elle peut aussi être définie comme la capacité d'un système à modifier l'état d'un autre système lorsqu'elle est transférée sous forme de chaleur ou de travail mécanique — . — , définition proche de celle énoncée par James Clerk Maxwell — . De façon encore plus générale, l'énergie est la propriété d'un système, d'une particule ou d'un rayonnement qui peut produire des changements, des modifications, sur un autre système. Enfin, certains auteurs la définissent comme une grandeur physique qui reste constante dans le temps pour un système isolé — . — « énergie », Dictionnaire Larousse en ligne., quelles que soient les transformations qui s'y produisent ; cependant, d'autres considèrent qu'il s'agit d'une propriété fondamentale, plutôt qu'une définition, de l'énergie, érigée en principe : le principe de conservation de l'énergie.

Unités De nombreuses unités sont utilisées aujourd'hui, en fonction des ordres de grandeur d'énergie à décrire.

Le joule (J) est l'unité de l'énergie dans le Système international d'unités.. Le kilowatt-heure ( = = ) est plus adapté et plus utilisé dans la vie courante, notamment pour communiquer des consommations d'énergie. L'électron-volt ( = ) est utilisé en physique des particules, en physique des semi-conducteurs, ou d'autres domaines qui s'intéressent à l'infiniment petit. Le rydberg (1 Ry = ) de symbole Ry, est une unité d'énergie, définie comme l'énergie d'un photon dont le nombre d'onde est égal à la constante de Rydberg de l'hydrogène Le hartree ( = ) est l'énergie potentielle électrique de l'atome d'hydrogène au repos. La tonne d'équivalent pétrole ( = = ) est utilisée dans l'industrie et l'économie pour désigner des consommations à grande échelle. La tonne de TNT (1 t de TNT = = ) est utilisée pour comparer l'énergie d'une explosion à celle d'une tonne trinitrotoluène. La calorie ( = ) est l'ancienne unité de l'énergie : c'est l'énergie nécessaire pour augmenter d'un degré Celsius une masse d'un gramme d'eau. La grande calorie ou kilocalorie ( = = ) est encore utilisée sur les emballages de produits alimentaires. Le kilogramme est utilisé en physique relativiste en vertu de la formule . Le British thermal unit (1 BTU ≈ 1 056 J) est une unité d'énergie utilisée dans certains pays anglophones. Le therm (1 therm = )

D'autres sont aujourd'hui obsolètes ou désuètes.

Le kilogrammètre (1 kgm = ) Le cheval-heure ( = ) L'erg (1 erg = ) La thermie (1 th = )

Ordres de grandeur

1 kWh = , c'est environ :

l'énergie cinétique d'un camion de 10 tonnes lancées à 100 km/h ; l'énergie potentielle de 10 tonnes d'eau montées à 36 m de hauteur ; l'enthalpie de combustion de 10 cl d'essence ; la chaleur nécessaire pour porter 10 l d'eau à ébullition ; la chaleur nécessaire pour faire fondre 10 kg de glace ; la chaleur nécessaire pour faire évaporer 1,5 l d'eau ; l'énergie apportée par un repas ; l'énergie libérée lors de la fission de 50 μg d'uranium 235.

Formes d'énergie L'énergie rassemble plusieurs grandeurs fondamentales que l'on distingue par différentes formes d'énergie. Toutefois, l'énergie sert à mesurer l'intensité d'un phénomène, cette classification n'est qu'une manière de faire correspondre l'énergie au phénomène qu'elle mesure. Il est possible de distinguer : les énergies propres au système physique étudié, à ses sous-parties ou aux particules qui le composent selon que l'on fasse l'étude à l'échelle macroscopique, mésoscopique ou microscopique ; les énergies échangées entre deux systèmes ou entre des sous-parties d'un système ; les énergies libérées ou accumulées lors de changements d'états, de réactions chimiques ou de réactions nucléaires.

Les énergies propres au système étudié

L'énergie cinétique est associée au mouvement d'un corps, d'une particule ou d'un ensemble de particules. L'énergie cinétique macroscopique d'un corps est liée à sa masse et à sa vitesse à l'échelle macroscopique, . L'énergie cinétique d'agitation thermique d'un système qui est due à une agitation microscopique désordonnée de ses molécules et de ses atomes : elle est la somme des énergies cinétiques des molécules et atomes. Elle est parfois simplement appelée énergie thermique. L'énergie potentielle d'un système est l'énergie liée à une interaction, entre le système est son environnement ou entre des sous-parties du système. L'énergie potentielle est associée à une force dite conservative, dont l'expression se déduit par dérivation d'un potentiel. Un système instable se transforme en un système plus stable en perdant de l'énergie potentielle qui est transformée, le plus souvent en énergie cinétique. L'énergie potentielle gravitationnelle est l'énergie que possède un corps du fait de sa position dans un champ gravitationnel. L'énergie potentielle de pesanteur est un cas particulier de l'énergie potentielle gravitationnelle dans le champ gravitationnel terrestre, . L'énergie potentielle élastique est l'énergie potentielle emmagasinée dans un corps à caractère élastique lorsque ce dernier est compressé ou étiré par rapport à sa position naturelle. L'énergie potentielle électrostatique est l'énergie potentielle d'une charge électrique plongée dans un champ électrique. Les énergies potentielles d’interactions microscopiques que l’on peut assimiler, entre autres, aux énergies de liaison chimique, aux énergies liées à l'attraction ou la répulsion des molécules, et aux énergies d’interactions entre les nucléons. L'énergie mécanique rassemble l'énergie cinétique macroscopique et l'énergie potentielle macroscopique. L'énergie interne rassemble l'énergie thermique (énergie cinétique d'agitation microscopique) et les énergies potentielles d’interactions microscopiques. Du fait de la complexité des énergies à prendre en compte, on ne peut pas la calculer ou la mesurer ; on ne peut calculer que ses variations. Il s'agit d'une fonction d'état : sa variation au cours d'une transformation, entre un état initial et un état final, ne dépend pas de la façon dont on procède. D'autre fonctions d'état de même unité sont construites à partir de l'énergie interne : l'énergie libre , l'enthalpie et l'enthalpie libre . L'énergie totale est la somme de l'énergie mécanique et de l'énergie interne. L'énergie de masse caractérise la relation d'équivalence masse-énergie d'un système au repos. Lors d'une réaction nucléaire, la masse totale de matière peut être amenée à diminuer : la masse perdue est convertie en énergie généralement cinétique.

Les énergies échangées Deux systèmes peuvent échanger de l'énergie entre eux selon deux processus différents : le travail et la chaleur.

Le travail est un transfert ordonné d'énergie entre un système et le milieu extérieur. Considérons un ensemble cylindre, piston, lequel est à la base de l’obtention de travail mécanique par action de la chaleur. À l’échelle microscopique les chocs des particules de gaz sur le piston définissent la pression exercée sur celui-ci à l’échelle macroscopique. Chaque choc contribue au déplacement, concerté avec les autres chocs, du piston dans la même direction. Il y a addition des forces induites par chaque choc et c’est pourquoi le transfert d’énergie est considéré comme ordonné. Si l’on considère maintenant le travail électrique. Il est dû au déplacement des électrons dans un conducteur sous l’influence d’un champ électrique. Ici encore l’ensemble des électrons se déplace dans la même direction et les effets s’additionnent au niveau macroscopique. La chaleur, également nommée transfert thermique, est un transfert désordonné d’énergie entre le système et le milieu extérieur, un transfert énergie thermique (énergie cinétique d'agitation microscopique). Les transferts thermiques entrainent des transformations irréversibles, c'est-à-dire, pour simplifier, que le phénomène ne peut pas revenir en arrière : l'énergie est transférée spontanément de la zone chaude vers la zone froide. Le second principe de la thermodynamique formalise cette observation. Il existe trois modes de transfert thermique. La conduction thermique est le mode de transfert d'énergie sans déplacement de matière qui correspond à la transmission, ou plus précisément la diffusion, de l'agitation thermique entre molécules et atomes ; elle se produit dans un solide, un liquide ou un gaz. Par exemple, la température d'une barre métallique chauffée à une extrémité a tendance à s'uniformiser par conduction thermique. La convection thermique est le mode de transfert d'énergie provoqué par le mouvement des particules d'un fluide. Il se produit dans un fluide en mouvement. Par exemple, l'air chauffé, moins dense car il se dilate, monte, transportant de l'énergie du bas vers le haut. Le rayonnement électromagnétique est le mode de transfert d'énergie par propagation d'ondes électromagnétiques, autrement dit par déplacement de photons. Il est le seul à permettre le transfert d'énergie dans le vide. Par exemple, la Terre reçoit le rayonnement du Soleil. L'énergie électromagnétique est la densité volumique d'énergie qui transite.

Le travail et la chaleur ne sont pas des fonctions d’état. Leur quantité, mise en jeu au cours d’une transformation, dépend de la façon dont s'effectue cette dernière.

Les énergies mises en jeu lors de changements d'états et de réactions chimiques

L'énergie mise en jeu lors d'un changement d'état est caractérisée par l'enthalpie de changement d'état (anciennement chaleur latente de changement d'état). Elle correspond, dans le cas de transformations à pression constante, à la chaleur nécessaire pour provoquer un changement d'état. Elle est positive pour les enthalpies de fusion, de vaporisation et de sublimation, alors qu'elle est négative pour les enthalpies de solidification, de liquéfaction et de condensation. L'énergie mise en jeu lors d'une réaction chimique est caractérisée par l'enthalpie de réaction. Elle est négative dans le cas d'une réaction exothermique, puisqu'elle libère de la l'énergie dans l'environnement, alors qu'elle est positive dans le cas d'une réaction endothermique qui nécessite un apport de chaleur pour se produire. L'énergie de liaison est l'énergie requise pour briser une mole de molécules en atomes individuelsFrey, Paul Reheard, College chemistry, , Prentice-Hall, 1965, .

Les énergies dans le domaine de la production et de la consommation

Dans ces domaines les noms donnés aux énergies renseignent généralement sur la méthode de conversion employée pour pouvoir les utiliser : énergies fossiles (gaz naturel, charbon, pétrole), l’énergie nucléaire et les énergies renouvelables : énergie hydroélectrique, énergie éolienne, énergie solaire, biomasse, énergie géothermique. Ils n'ont pas un sens physique rigoureux, tout comme les expressions « consommation d'énergie » ou « production d'énergie ».

Étymologie et histoire