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Énergie



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Cet article de science fait
partie de la série physique
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sens commun

Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet de travailler, de faire de la chaleur, ou du travail, ou encore de faire du mouvement ou de la lumière via l'électricité.


Après avoir exploité sa propre force, puis celle des esclaves, des animaux et de la nature (les vents,et les chutes d'eau), l'homme a appris à exploiter les énergies contenues dans la nature et capable de lui fournir une quantité croissante de travail mécanique par l'emploi de machines: machines outil, chaudières et moteurs. L'énergie est alors fournie par un carburant ou énergie fossile.

L'énergie est un concept ancien; L’expérience humaine est que tout travail requiert de la force et produit de la chaleur, que plus on « dépense » de force, plus vite on peut faire un travail, et plus on s'échauffe.

L'étymologie du mot énergie est le mot grec εργοs (ergos) qui signifie « travail ».


Comme l'énergie est nécessaire à toute entreprise humaine, l'approvisionnement en énergie est devenu une des préoccupations majeures des sociétés humaines.

Dans les sociétés industrielles, l'activité humaine passe par la fourniture d'énergie électrique produite par des matières premières, principalement charbon, gaz naturel, pétrole et uranium ; on parle alors d'énergie fossile; ces matières premières sont appelées par extension « énergies ». On parle aussi d'énergies renouvelables lorsque l'on utilise l'énergie solaire, l'énergie éolienne; l'énergie hydraulique des barrages est la plus importante des énergies renouvelables.

L'énergie est un concept essentiel en physique, qui se précise depuis le XIXe siècle.

On retrouve le concept d'énergie dans toutes les branches de la physique:

Au XIXe siècle, on parvient par une série d'expérience à mettre en évidence des constats ou 'lois' :

et le total est toujours conservé : ainsi naît le concept scientifique d'énergie, « chose » encore indéterminée mais dont on postule une propriété :

L'énergie se conserve dans tous les phénomènes, devenant tour à tour, chaleur, pression, vitesse, hauteur, etc.

Ainsi, grâce à l'énergie, on peut mettre en relation des observations aussi différentes qu'un mouvement, une rotation, une température, la couleur d'un corps ou d'une lumière, une consommation de sucre ou de charbon, une usure, etc.

Il apparaît également que si l'énergie se conserve et se transforme, certaines transformations sont faciles ou réversibles et d'autres non.

Exemple: Il est facile de transformer de la hauteur de chute en échauffement, et on peut le faire intégralement, en revanche l'inverse est difficile (il faut des appareils complexes) et une partie de l'« énergie » devra être diffusée et donc perdue. Cette observation sera à la base de l'idée d'entropie.

À partir du concept de conservation de l'énergie (quantité qui se conserve), on pourra regarder d'un œil différent des systèmes complexes (notamment biologiques et chimiques) qui viole apparemment cette loi, et on parviendra, moyennant de nouveaux progrès scientifiques, à toujours valider le postulat ou principe de conservation de l'énergie.


Lorsqu'un phénomène entraîne un autre phénomène, l'intensité du second dépend de l'intensité du premier. Par exemple, les réactions chimiques dans les muscles d'un cycliste entraînent l'avancée du vélo, l'intensité de l'avancée (c'est-à-dire la vitesse) dépend de l'intensité des réactions chimiques du muscle (la quantité de sucre « brûlée » par la respiration, le métabolisme du muscle. L'énergie est une manière commune d'exprimer l'intensité des phénomènes, qui permet de calculer l'influence des intensités entre ces phénomènes très différents. Ainsi, plutôt que d'exprimer l'intensité de la réaction de respiration en « quantité de sucre brûlé par le muscle », on va l'exprimer en « énergie fournie par la réaction » ; et plutôt que d'exprimer l'intensité du déplacement en « vitesse », on va l'exprimer en « énergie cinétique » (c'est-à-dire « énergie de mouvement »).

Prenons un exemple plus complexe:

Si l'on considère un moteur à explosion, on a une réaction chimique (la combustion ou « l'explosion ») qui modifie la composition d'un gaz avec augmentation de sa température et de sa pression ; la différence de pression entre ce gaz et l'atmosphère de l'autre coté d'un piston déplace ce dernier, qui va, à travers une transmission mécanique, faire tourner les roues ainsi qu'un alternateur qui va produire de l'électricité.

Au passage, il y aura des frottements mécaniques qui produiront un échauffement et une usure. On a donc un réarrangement des molécules (rupture et recréation de liaisons chimiques) qui provoque un mouvement désordonné des molécules (pression et chaleur du gaz), qui lui-même provoque un mouvement ordonné d'un solide (le piston), qui va provoquer des déformations élastiques (transmission du mouvement), ainsi qu'une modification des champs électromagnétiques et un déplacement d'électrons (courant électrique).

Le concept d'énergie va permettre de calculer l'intensité des différents phénomènes (par exemple la vitesse de la voiture) en fonction de l'intensité du phénomène initial (la quantité de gaz et la chaleur produite par la réaction chimique de combustion).


Dans les applications grand public, et notamment dans le domaine de la nutrition, on exprime fréquemment l'énergie en calories ; la calorie est l'énergie qu'il faut fournir pour faire chauffer un gramme d'eau de un degré Celsius. En électricité, on utilise le watt-heure (W.h), qui est l'énergie consommée pendant une heure par un appareil ayant une puissance de un watt.Plus connu est le KW.h ou kilowattheure qui vaut 1000 W.h.

Énergie en sciences physiques

En physique, l'énergie est une quantité mesurable, qui se conserve quelles que soient les transformations que subit un système (réaction chimique, choc, mouvement, réaction nucléaire etc...). Cette quantité est composée d'élements divers (énergie thermique, énergie cinétique, énergie de masse etc...), qui s'échangent dans un jeu qui est toujours à sommes nulles. L'existence de cette loi remarquable a été expliquée par le théorème de Noether qui montre qu'elle est une conscéquence de la symétrie des équations physiques par rapport à une translation dans le temps.

La notion de conservation est relativement simple à comprendre:

Si on met dans un volume quelque chose et que l'on ferme bien la boite, l'on s'attend à y retrouver, lorsqu’on l’ouvrera ultérieurement, ce qu'on y a mis. Ceci en physique s'appelle un principe de conservation. Si on ne retrouve pas tout, c'est que une partie a pu sortir sous une forme ou une autre ou même que ce qui manque (ou est en plus) a changé de forme et qu’on ne s'en est pas rendu compte:

Ce principe est tellement fort en physique qu’à chaque fois qu'il a parut ne pas être vérifié cela a conduit à des découvertes importantes. -la radioactivité a un temps été interprétée comme la ré-émission de quelque chose qui était reçu de l'extérieur et l'explication est venue de l'équivalence masse énergie.

L'énergie dans un volume est donc d'office conservée, par principe, et si elle diminue dans le volume, c'est que une partie en est sortie... ou qu'elle s'est transformée en quelque chose qu'il nous faut identifier: chaleur, masse, rayonnement etc.


L'unité du système international pour mesurer l'énergie est le joule (J).

Certaines activités utilisent d'autres unités, notamment l'électron-volt (eV), le kWh (= 3,6 MJ), la calorie (4,18 J) et la Calorie (alimentaire : 4180 J).

La thermodynamique est la discipline qui étudie les transformations de l'énergie qui font intervenir l'énergie thermique. Le premier principe affirme que l'énergie se conserve, le second principe impose des limitations à la transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique, électrique ou autre.

Energie, puissance et force

Le mot « énergie » provient du mot grec signifiant « travail ». Mais le mot « travail » est aussi utilisé en physique pour désigner l'énergie fournie par l'action d'une force.

En physique, force et énergie sont deux manières différentes de modéliser les phénomènes. Par exemple, on pourra traiter la chute d'un objet soit:

Le travail désigne donc l'énergie d'un phénomène qui peut aussi être modélisé par une force, c'est-à-dire un phénomène qui provoque une action dirigée dans une direction.

Cependant, certains phénomènes ont une action désordonnée, chaotique ; par exemple, l'agitation des molécules d'un gaz au repos (sans vent), ou bien l'agitation des atomes d'un solide. Cette agitation désordonnée provoque la sensation de « chaud », et elle est mesurée par un paramètre appelé température. L'énergie liée à cette agitation désordonnée est appelée chaleur.

Rendement

L'énergie « libérée » par un phénomène se disperse entre plusieurs autres phénomènes.

Ainsi, dans une flamme (réaction chimique), une partie de l'énergie dégagée devient chaleur, une autre lumière, une autre fraction est stockée dans des molécules complexes, etc.

Le rendement, c'est le quotient entre l'énergie qui prend la forme qui nous intéresse et l'énergie dépensée.

Par exemple, dans le cas d'un moteur, ce qui nous intéresse, c'est le mouvement mécanique produit. Le reste de l'énergie est au mieux considéré comme perdu (cas de ce qui part en chaleur dans les gaz d'échappement), au pire nuisible (cas de ce qui part en travail d'usure physique ou chimique du moteur).

Un moteur idéal, qui convertirait toute l'énergie de combustion de l'essence en mouvement mécanique du véhicule, aurait un rendement de 1 (ou de 100 %).

Le rendement réel est bien sûr toujours inférieur à 1.

Dans certain cas, il peut apparaître un rendement « apparent » supérieur à 1 :

Un autre cas de rendement apparent supérieur à 1 provient d'une sous-estimation de l'énergie injectée. Ainsi, pour les chaudières on prend traditionnellement comme référence l'énergie « PCI » du combustible, qui suppose une combustion ne produisant que des gaz. Les chaudières à condensation, capables de récupérer l'énergie thermique de la transformation de la vapeur d'eau en liquide, ont pu ainsi afficher des rendements supérieurs à 1.

Loi de conservation

L'énergie est une quantité qui se conserve

Elle se transforme d'une forme en une autre, mais ne disparaît jamais. Chaque fois qu'il a semblé que l'énergie n'était pas conservée, il s'agissait en fait de sa transformation en une nouvelle forme. La perte d'énergie, même minime, est due à sa transformation en énergie thermique.

L'apparition d'énergie dans les processus radioactifs provient de la transformation de l'énergie de masse en énergie cinétique. L'énergie d'une réaction chimique correspond à une variation de masse trop infime pour être mesurable: ce qui a fait croire un temps à la conservation de la masse dans les réactions chimiques.

Un résultat majeur de la physique théorique, le Théorème de Noether, montre que le fait que l'énergie se conserve est équivalent à la symétrie de translation dans le temps des équations de la physique.

Formes d'énergie

En pratique, il est utile de distinguer différentes « formes » d'énergie. Toutefois, il faut être conscient que cette division n'a rien d'absolu, mais dépend uniquement de la position de l'observateur : le principe de relativité s'applique aussi à l'énergie, de sorte que le même phénomène pourra être analysé en terme d'énergie « cinétique », « électromagnétique », ou « potentielle », etc.

L'énergie se manifeste sous de nombreuses formes :

On peut dire que les autres types d'énergie sont des énergies potentielles : moyennant un petit changement, possible sans travail, un système instable se transforme en un système plus stable, avec dégagement de la différence d'énergie entre les deux systèmes (le plus stable ayant une énergie moindre).

Par ailleurs, on appelle improprement et par extension « énergie » des sources de puissance utilisée par l'homme, qui relève en fait de l'énergie cinétique d'un fluide particulier (air, eau) ou de particules (photons, éléments de fission ou produits de fusion nucléaire)

Énergie et puissance

L'énergie dépensée pour créer un phénomène mesure l'ampleur du phénomène final. Cette énergie est fournie par un autre phénomène, appelé « phénomène moteur ».

Certains phénomènes moteurs vont faire le travail rapidement, d'autre plus lentement ; par exemple, un manutentionnaire gringalet mettra longtemps avant de monter des parpaings un par un en haut de l'échaffaudage, alors qu'un manutentionnaire musclé en portera plusieurs à la fois et sera plus rapide (en revanche, le résultat final sera exactement le même).

Cette capacité à mobiliser beaucoup d'énergie en un temps donné est appelée puissance du phénomène moteur :

la puissance est l'énergie fournie par un phénomène divisée par la durée du phénomène, P = E/t.

La puissance se mesure en watt (1 W = 1 j.s-1)

Voir l'article détaillé Puissance.

Approvisionnement en énergie

Les sources d'énergies utilisées par l'homme sont :

Quelques chiffres intéressants

En 1960, 50% de l'électricité produite en France venait de sources renouvelables (hydroélectricité). Le doublement de la consommation était prévu tous les dix ans (loi vérifiée depuis le début du siècle), et ce bon rapport ne pouvait être maintenu, tous les sites favorables étant équipés.

La relève fut assurée par le nucléaire qui fournit aujourd'hui 80% de l'électricité. La régularité du doublement en 10 ans a pris fin au moment du choc pétrolier de 1973.

L'Allemagne a fait récemment grimper sa production d'électricité éolienne de 38% par an pendant deux années consécutives. Elle contribue pour 10% de ses besoins.

Pour fixer les idées, les moteurs réunis de la fusée Saturne V dans les années 60 consommaient à eux seuls pendant les quelques minutes de leur combustion une énergie équivalente à un millième de ce qui était brûlé en pétrole sur la planète pendant le même temps. (source : L'économie de l'énergie, Yves Manguy, Dunod)

Le prix du pétrole est en septembre 2004 voisin de 50 dollars le baril. Des experts ont fait savoir le 7 juin 2004 que ce prix ne pourrait se maintenir de façon viable et qu'à court terme une montée à 180 dollars le baril serait probable. L'augmentation des cours de 25% entre juin et septembre 2004 attire à nouveau l'attention sur leur communication de l'époque :

Consommation d'énergie de quelques pays
pays TEP par habitant et par an
Islande 12,246
Luxembourg 8,409
Canada 8,156
États-Unis 8,148
Finlande 6,409
Belgique 5,776
Australie 5,740
Norvège 5,704
Suède 5,354


Voir aussi

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