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Qu’est-ce que l'énergie ? (1/3)

De tout temps, l’homme a eu besoin de l’énergie pour se nourrir, se mouvoir. Celle-ci existe sous plusieurs formes. Aujourd’hui, la technologie permet d’en produire en grande quantité, en utilisant toutes les ressources possibles (fossiles, eau, vent, soleil…). À l’aube du XXIe siècle, l’énergie reste un enjeu majeur, tant au niveau politique, économique, scientifique qu’environnemental… Parmi les diverses propriétés des objets matériels, l’énergie est l’une des plus importantes, mais aussi l’une des plus abstraites car elle n’est pas directement tangible.
Cet ouvrage donne quelques notions sur la physique de l’énergie.

Mis à jour le janvier 2007

L'énergie

L'ÉNERGIE EST PLUS OU MOINS ÉLEVÉE

L’existence de l’énergie peut apparaître sous des masques divers et on peut ainsi sentir de quelle manière elle dépend de la situation. Une voiture possède une énergie d’autant plus élevée qu’elle roule plus vite ; cette énergie est inférieure à celle d’un camion allant à la même vitesse. Un ressort, lorsqu’il est comprimé, a une énergie plus grande que lorsqu’il est détendu. L’énergie d’une pile électrique avant sa mise en service est plus grande que lorsqu’elle est déchargée. L’énergie d’une casserole d’eau augmente lorsqu’on la chauffe.
L’énergie se présente ainsi sous des formes très diverses. Pour chacune d’entre elles, les comparaisons effectuées montrent que l’énergie d’un système physique dépend de l’état dans lequel il se trouve. Dans les exemples ci-dessus, cet état est caractérisé par la vitesse et la masse du véhicule, la déformation du ressort, la charge. Nous allons le voir, les divers types d’énergie peuvent, au moins partiellement, prendre bien d’autres formes. Ces transformations de l’énergie sont utilisées dans la vie courante, mais chacune d’entre elles génère des pertes.

L'ÉNERGIE SE TRANSFORME

L’énergie peut se transmettre d’un système à un autre : sous forme de chaleur, elle passe d’un radiateur à l’air d’une pièce. Elle peut aussi se transformer en changeant de nature. Dans un jouet mécanique, le ressort se détend en provoquant un mouvement. L’énergie associée au mouvement d’un vélo se transforme, lorsqu’on freine, en chaleur communiquée aux patins des freins et à la jante des roues. L’énergie emmagasinée dans une pile de lampe de poche se change, lorsqu’on ferme le circuit, en énergie électrique ; celle-ci se convertit à son tour dans l’ampoule en énergie lumineuse et calorifique. Dans une centrale thermoélectrique, l’énergie stockée dans le carburant (énergie chimique dans le charbon et le pétrole, ou énergie nucléaire dans l’uranium) est transformée (par combustion ou par réaction nucléaire) en chaleur ; puis une partie de cette chaleur est récupérée dans les turbines sous forme mécanique ; enfin, cette énergie mécanique est convertie en énergie électrique dans les alternateurs.
C’est à travers de telles transformations ou de tels transferts que l’énergie se manifeste à nous.

L'ÉNERGIE SE CONSERVE

La caractéristique la plus remarquable de l’énergie est qu’elle se conserve toujours. Lorsqu’elle est transférée d’un système à un autre, ou lorsqu’elle change de nature, il n’y a jamais ni création ni destruction d’énergie. Si un objet a perdu de l’énergie, la même quantité d’énergie a obligatoirement été gagnée par un autre objet en communication avec le premier. De même, lorsque l’énergie change de forme, le bilan est toujours exactement équilibré.
C’est donc par abus de langage que les journaux, les économistes ou les hommes politiques parlent de “production d’énergie”, ou de “pertes d’énergie”, puisque l’énergie ne peut être ni créée ni perdue. En réalité, dans une centrale thermoélectrique, on ne “produit” pas d’énergie, mais on transforme de l’énergie chimique ou nucléaire en énergie électrique et calorifique. Le bilan global de cette conversion est caractérisé par un rendement. Celui d’une centrale représente 33 %, ce qui signifie que pour envoyer sur le réseau 33 unités d’énergie électrique, il a fallu consommer 100 unités d’énergie nucléaire, tout en dégageant 67 unités de chaleur ; cette chaleur, évacuée dans l’environnement, par exemple par la vapeur d’eau sortant des tours de refroidissement, est donc, en général, perdue pour nous. Certaines centrales en récupèrent toutefois une partie pour chauffer des habitations ou des serres.
Nous verrons plus loin que, si l’énergie se conserve toujours, ses diverses formes ne sont pas équivalentes, car toutes les transformations concevables ne sont pas réalisables.

Dans une ampoule, l’énergie électrique se convertit en énergie lumineuse et calorifique. © PhotoDisc

“L’énergie se conserve : rien ne se perd, rien
ne se crée.
C’est le premier principe de la thermodynamique.”

L'ÉNERGIE SE MESURE

C’est la propriété de conservation de l’énergie qui nous permet de mesurer, à l’aide d’une seule et même unité, les diverses formes de l’énergie. L’énergie, dite cinétique, associée au mouvement d’un objet de masse “m” et de vitesse “v” vaut
E = 1/2 mv² ; lorsque la masse est exprimée en kilogrammes et la vitesse en mètres par seconde, cette formule donne l’énergie en joules (J), unité légale dans le système international.
À l’époque où l’on n’avait pas encore reconnu que la chaleur était une forme de l’énergie, l’étude des échanges thermiques avait conduit à introduire une unité de chaleur, la calorie, définie comme la quantité de chaleur à fournir à 1 gramme d’eau pour élever sa température de 1 degré Celsius. L’expérience a montré que les transformations d’énergie mécanique en chaleur, ainsi que les transformations inverses, se faisaient toujours avec le même rapport, à savoir 1 calorie pour 4,18 joules. Il y a donc équivalence entre ces deux formes d’énergie (mécanique et chaleur). Ceci a permis d’abandonner la calorie et de mesurer la chaleur et toutes les autres formes d’énergie, en joules.

LA PUISSANCE

Les échanges d’énergie sont caractérisés, non seulement par la quantité d’énergie transférée ou transformée, mais aussi par la durée du processus. La notion de puissance est ainsi définie comme une quantité d’énergie échangée par unité de temps. L’unité de puissance, le watt, est donc le joule par seconde. Un radiateur électrique de 1 500 W consomme durant chaque seconde une énergie électrique de 1 500 J, et par suite, durant chaque heure (3 600 secondes), une énergie électrique de 3 600 x 1 500 J = 5 400 000 J, transformée en énergie calorifique.
Cet exemple montre que le joule est une unité d’énergie trop petite pour nos usages courants. On emploie souvent en pratique le kilowattheure (kWh), quantité d’énergie mise en jeu par un appareil d’une puissance de 1 000 W pendant un délai d’une heure. Ainsi, 1 kWh vaut 3 600 x 1 000 J = 3 600 000 J. Le radiateur électrique considéré ci-dessus consomme, en une heure de fonctionnement, 1,5 kWh et rayonne évidemment pendant la même durée une énergie calorifique de 1,5 kWh.
La consommation annuelle moyenne d’électricité par habitant en France est de plus de 7 000 kWh, le double aux États-Unis, soit 14 000 kWh, et en Afrique un peu plus de 500 kWh. Les trois quarts de l’électricité produite en France sont d’origine nucléaire, le dernier quart se partageant entre hydroélectrique et thermique (charbon, pétrole). Mais cette électricité représente elle-même moins de la moitié de notre consommation totale. Le reste fait appel à une utilisation directe de pétrole (essence, fioul), de gaz et de charbon ; le tiers de nos besoins concerne, en effet, le chauffage des locaux, et le quart concerne les transports.

“L’Américain consomme en moyenne environ deux fois plus d’électricité que le Français, lequel consomme quatorze fois plus d’électricité que l’Africain.”