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Énergie

                  

Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui peut se transformer en chaleur, travail mécanique (mouvement) ou lumière grà¢ce à  une machine (par exemple moteur, chaudière, réfrigérateur, haut-parleur, lampe) ou un organisme vivant (par exemple les muscles). L'étymon est le mot grec εργοs (ergos) qui signifie "travail".

L'énergie est un concept essentiel en physique, né au XIXe siècle. On la retrouve toutes les branches de la physique (mécanique, thermodynamique, électromagnétisme, mécanique quantique,...) mais aussi dans les autres disciplines, en particulier en chimie.

L'homme a très tà´t compris les limites de sa force, et a utilisé la force des animaux, puis des machines (moulins, machine à  vapeur, moteur à  explosion, moteur électrique) pour fournir le travail mécanique. Dans les sociétés industrielles, la création de travail mécanique passe par la consommation de matières premières, principalement charbon, gaz naturel, pétrole et uranium ; ces matières premières sont appelées par extension "source d'énergie" (c'est en fait le phénomène chimique ou physique qui utilise ces matières premières qui fournit l'énergie). Comme l'énergie est nécessaire à  toute entreprise humaine (parce qu'elle diminue localement l'entropie), l'approvisionnement en énergie est une des préoccupations majeures des sociétés humaines.

Sommaire
1 Approche vulgarisée
2 Énergie en sciences physiques
3 Approvisionnement en énergie
4 Quelques chiffres intéressants
5 Voir aussi

Approche vulgarisée

L'énergie est un concept créé par les humains pour quantifier les interactions entre des phénomènes très différents ; c'est un peu une monnaie d'échange commune entre les phénomènes physiques.

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 "brà»lée" 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 intensité entre ces phénomènes très différents. Ainsi, plutà´t que d'exprimer l'intensité de la réaction de respiration en "quantité de sucre brà»lé par le muscle", on va l'exprimer en "énergie fournie par la réaction" ; et plutà´t que d'exprimer l'intensité du déplacement en "vitesse", en 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) qui provoque l'expansion d'un gaz et de la chaleur (l'explosion), la pression de ce gaz propulse un piston, qui va, à  travers une transmission mécanique, faire tourner les roues ainsi qu'un alternateur qui va produire de l'électricité. 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'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 produites par la réaction chimique de combustion).

L'idée de base est de construire un phénomène étalon : une masse de 1 kg qui passe de 0 m/s à  1 m/s. On attribue donc la valeur "1" à  cette référence, l'unité qui l'exprime s'appelle le joule (J, homogène à  des kg.m2.s-2). Si un phénomène (une réaction chimique, un champ électrique, la déformation d'un ressort...) est capable de faire passer une masse de 1 kg de 0 à  1 m/s, on dira que ce phénomène a dégagé une énergie de 1 J.

Dans les application grand public, et notamment dans le domain 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 la watt-heure (W.h), qui est l'énergie consommée pendant une heure par un appareil ayant une puissance de un watt.

Énergie en sciences physiques

Energie, travail et chaleur

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 fait, en physique, force et énergie sont deux manières différentes de modéliser les phénomènes. Selon les cas, on préfère l'une ou l'autre expression. Par exemple, on pourra traiter la chute d'un objet indifféremment :

La force est la dérivée de l'énergie, et l'énergie est l'intégrale de la force (ceci est développé dans l'article travail d'une force).

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. Mais 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 part en chaleur, l'autre en lumière. Souvent, on ne s'intéresse qu'a un seul des phénomènes. Le rendement, c'est la fraction d'énergie qui profite au phénomène qui nous intéresse.

Par exemple, dans le cas d'un moteur, ce qui nous intéresse, c'est le mouvement mécanique produit. L'énergie qui part en chaleur (en frottement et dans les gaz d'échappement) est considérée comme perdue. Une machine idéale, qui convertirait toute l'énergie libérée en mouvement mécanique aurait un rendement de 1 (ou de 100 %) ; le rendement réel est inférieur 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 "non conservation" de l'énergie mécanique en présence de dissipation 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.

Formes d'énergie

L'énergie existe sous de nombreuses formes :

On peut dire que les autres types d'énergie sont des énergies potentielles : Les unités utilisées pour mesurer l'énergie sont le joule (J), unité du système international (SI), l'électron-volt (eV) ou la calorie.

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.

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 moteur 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 (par contre, le résultat final sera exactement le même).

Cette capacité à  mobiliser beaucoup d'énergie en un temps donné est appelé 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 cet 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.

Pour fixer les idées, les moteurs réunis de la fusée Saturn 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 brà»lé en pétrole sur la planète pendant le même temps ! (source : L'économie de l'énergie, Yves Manguy, Dunod)

Voir aussi