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Les formes diverses de l'énergie se classent en deux grandes catégories : formes supérieures et formes inférieures. Les diverses formes d'énergie mécanique proprement dite, l'énergie élastique, l'énergie électrique, rentrent dans la première catégorie; l'énergie calorifique, l'énergie rayonnée, l'énergie mise en jeu dans les changements d'états physiques, rentrent dans la seconde catégorie. L'énergie chimique représente en général un mélange à doses "complexes qui requiert une étude spéciale.
Un caractère essentiel différencie les deux groupes : les formes supérieures ne comportent pas de degré dans leur qualité. Elles sont, entre elles, de tout point, équivalentes. Les formes inférieures, au contraire, sont plus ou moins dégradées : elles présentent tous les intermédiaires entre une valeur égale à celle des formes supérieures et une valeur nulle. La chaleur représente de l'énergie de qualité d'autant . plus relevée qu'elle est fournie par une source à plus haute température : de la chaleur rayonnée par une source à température infiniment élevée deviendrait équivalente en qualité à la même quantité d'énergie mécanique.
Les formes les plus usuelles et les plus anciennement connues d'énergie supérieure sont celles dont l'étude est l'objet de la mécanique pure, celles qui sont utilisées par des machines dont le fonctionnement ne met en jeu aucun phénomène calorifique ou électrique, — celle que nous fournissent les chutes d'eau ou la force du vent.
Il n'est peut-être pas inutile de rappeler que travailler, au sens mécanique du mot, c'est vaincre une résistance. Élever 10 kilogrammes à 2 mètres de haut, c'est accomplir contre la pesanteur un travail de 20 kilogrammètres. Tout le monde sent bien que le travail, qui est la mesure de l'effet utile, est pro-
portionnel à la fois au poids soulevé et au chemin parcouru : quand on paie pour faire monter des stères de bois dans un appartement, on fixe en général un prix par stère et par étage; pour faire transporter cinq stères au troisième étage, on paiera 15 fois ce prix.
Le kilogrammètre, unité de travail rattachée au système métrique, est d'ailleurs devenu bien petit pour la pratique industrielle d'aujourd'hui : et Ton emploie soit le cheval-heure, qui vaut 75 X 3.600 ou 270.000 kilogram mètres, soit les unités auxiliaires que l'industrie électrique a répandues : l'hectowattheure de 36.700 kilogrammètres et le kilowattheure qui vaut 10 fois plus.
Quand on a effectué une fois le travail qui a consisté à monter un poids, ce travail n'est pas perdu. On pourrait, avec le travail de 20 kilogrammètres mis en réserve, soit élever un poids égal de 10 kilogrammes à 2 mètres avec une poulie, soit faire marcher une machine-outil, une pompe, etc., dont on tirerait du travail mécanique jusqu'à concurrence de 20 kilogrammètres. On dit que ces 20 kilogrammètres mis en réserve sont de Hénergie potentielle. D'après cette première définition de l'énergie, — par une quantité de travail, — on voit que la grandeur appelée énergie est un produit de deux autres grandeurs. C'est le produit d'une force par un déplacement. Une force dont le point d'application ne se déplace pas ne produit aucun travail, ne fait pas varier l'énergie. La force n'est qu'un des facteurs de l'énergie et ne doit jamais être confondu avec l'énergie elle-même.
Au lieu de mettre en réserve cette énergie potentielle et d'en tirer tout le travail mécanique qu'elle représente, on peut la gaspiller en faisant tomber le poids de 10 kilogrammes de 2 mètres de haut;, une fois tombé librement, il a perdu son énergie poten-
tielle sans avoir produit d'effet utile. Il faut toutefois
remarquer que, dans la chute, la vitesse, d'abord
nulle, s'accroît constamment. Au bout de 1 mètre de
chute, la vitesse, déduite des lois bien connues de la
chute des corps, est 4 m ,40 par seconde; la masse de
10 kilogrammes, en unités du système métrique,
est égale au poids, divisé par l'accélération de la
10 k pesanteur : elle est ou 1,02; ce qu'on appelle
en mécanique, la force vive 3u corps. — le produit de la masse par le carré de la vitesse, — vaut ici : 1,02 X (4,4)2 = 20.
La demi- force vive est égale à 10.
Ainsi, l'énergie potentielle baissant de 20 kilogrammètres à 10, la demi-force vive s'est accrue de à 10. On désigne aujourd'hui, avec Thomson et Tait, la demi-force vive sous le nom d'énergie cinétique^ nom très bien choisi, en ce qu'il rappelle qu'il s'agit ici d'une énergie qui tient au mouvement.
A un moment quelconque de la chute, la somme de V énergie potentielle et de V énergie cinétique a une valeur constante.
La constance de la somme de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle constitue, en mécanique, ce qu'on appelle l'équation des forces vives ; c'est un premier cas particulier du principe de la conservation de r énergie.
Nous 'avons en effet en présence, pour la première fois, deux formes d'énergie, qui s'échangent à volonté l'une contre l'autre*: et ces deux formes de l'énergie mécanique sont toutes deux des formes supérieures, équivalentes en qualité.
La constance de la somme de l'énergie mécanique potentielle et de l'énergie cinétique est subordonnée à deux conditions : la première, c'est que le corps ou l'ensemble de corps qui les possède ne travaille pas.
S'il accomplit à l'extérieur un certain travail, son énergie mécanique totale est diminuée d'autant. C'est ce qui se produirait pour notre poids de 10 kilos si Ton s'en servait pour en remonter un autre avec urie poulie. Il descendrait alors d'un mouvement uniforme, sans autre force vive que celle de l'impulsion qui lui aurait été communiquée. Si des forces extérieures au corps travaillent sur lui, si on lui communique du travail, son énergie totale est, au contraire, augmentée.
Il en résulte cette conséquence importante que, si le corps, ou l'ensemble de corps considéré revient, au bout d'un moment, à sa position du début, s'il se retrouve exactement dans les mêmes conditions, avec la même vitesse, son énergie cinétique est redevenue la même et son énergie potentielle aussi. Il ne peut donc avoir fourni du travail à l'extérieur, à moins que, ce travail, on ne le lui ait soi-même donné. C'est le principe bien connu de l'impossibilité du mouvement perpétuel. Ou plutôt c'est la forme première et le cas particulier le plus manifeste de ce principe. Car la forme plus générale et plus complexe du principe réside précisément dans la loi de dégradation. Et ceux qui gardent l'espoir, plus ou moins avoué, de trouver en défaut dans quelque phénomène cette loi de dégradation sont des esprits encore accessibles, à leur insu, à l'illusion du mouvement perpétuel. Ils le sont seulement sous une forme moins rudimentaire et moins grossière que les inventeurs qui cherchent à réaliser la machine ayant un rendement en travail de plus de 100 °/ .
Les systèmes mécaniques, les machines telles que les turbines, ne créent pas d'énergie : ils servent seulement à utiliser et à transformer l'énergie dont on dispose déjà. L'électricité, d'ailleurs, a un rôle tout à fait analogue : pas plus qu'une machine-outil> un appareil électrique n'est un créateur d'énergie.
A la constance de l'énergie mécanique d'un système, définie comme la somme de ses énergies potentielle et cinétique, il y a une seconde condition : c'est qu'il n'y ait pas de frottements, ni de chocs. Les frottements et les ôhocs, sauf le cas de chocs entre corps parfaitement élastiques, amènent une perte sèche de force vive. Quand le poids de 10 kilogrammes arrive sur le sol après une chute libre de 2 mètres, son énergie cinétique est de 20 kilogrammètres. Après le choc, si le corps ne rebondit pas. cette énergie cinétique est perdue, sans qu'il y ait gain d'énergie potentielle ni travail extérieur produit. Il y a bien alors quelque chose de perdu, et il n'est pas correct de dire que rien ne se perd. Il y a, par contre, quelque chose de gagné, qui est de la chaleur, en quantité équivalente à l'énergie cinétique disparue, à raison d'une grande calorie par 425 kilogrammètres, ou de 635 calories par cheval-heure, ou encore de 86 calories par hectowattheure.
L'équation des forces vives, dans les machines où il y a frottement, doit donc être complétée. La diminution de l'énergie totale du système, — déduction faite du travail que le système a fourni au dehors, — représente l'équivalent de la chaleur produite. Si l'on considère ce système revenu, après une série d'opérations, à son état initial, — ayant décrit ce qu'on appelle un cycle fermé, — l'énergie totale a repris à la fin la même valeur qu'au début. Il y a encore conservation de l'énergie, à la condition d'évaluer chaleur et travail à l'aide des mêmes unités. Et dans un système isolé, on aura :
Diminution de l'énergie mécanique totale (potentielle + cinétique)= chaleur produite dans le système.
Mais avec cette forme, — généralisée par rapport à la simple équation des forces vives, — de la conservation de l'énergie, nous voyons apparaître la confusion déjà signalée, et sur laquelle il faudra revenir encore.
