Énergie - Définition

Introduction

La foudre illustre généralement l'énergie à l'état naturel. Paradoxalement elle en contient assez peu. Sa violence vient surtout de la rapidité et de l'extrême localisation du phénomène.

L'énergie (du grec : ενεργεια, energeia, force en action) est la capacité d'un système à modifier un état, à produire un travail entraînant un mouvement, de la lumière ou de la chaleur. C'est une grandeur physique qui caractérise l'état d'un système et qui est d'une manière globale conservée au cours des transformations. Dans le Système international d'unités, l'énergie s'exprime en joules. Dans la vie courante, le kilowatt-heure lui est préféré, et en physique des particules on utilise plutôt l'électron-volt, la conversion entre ces unités dont les ordres de grandeur diffèrent se résumant à une simple constante de proportionnalité. On utilise parfois aussi la tonne d'équivalent pétrole.

Le terme énergie recouvre plusieurs réalités qui se recoupent partiellement :

• l'énergie au sens de la science physique,
• l'énergie humaine, phénomène physiologique et psychologique,
• l'énergie utilisée par les sociétés humaines (électricité, etc.)

Définition

Le mot énergie vient du bas-latin energia qui vient lui-même du grec ancien ἐνέργεια (energeia), qui signifie « force en action », par opposition à δύναμις (dynamis) signifiant « force en puissance ».

L’énergie est un concept ancien. Après avoir exploité sa propre force et celle des animaux, l’homme a appris à exploiter les énergies contenues dans la nature (d’abord les vents, énergie éolienne et les chutes d’eau, énergie hydraulique) et capables de lui fournir une quantité croissante de travail mécanique par l’emploi de machines : machines-outils, chaudières et moteurs. L’énergie est alors fournie par un carburant (liquide ou gazeux, énergie fossile ou non).

L’expérience humaine montre que tout travail requiert de la force et produit de la chaleur ; que plus on « dépense » de force par quantité de temps, plus vite on fait un travail, et plus on s’échauffe.

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

À noter qu'au sens de la physique, il n'y a pas de sources d'énergie, ni d'énergies renouvelables, ni de pertes d'énergie car l'énergie ne peut ni se créer ni disparaître (premier principe de la thermodynamique, Lavoisier, Anaxagore...).

Ces termes ne devraient s'appliquer qu'aux énergies utilisables. Toute la question de l'énergie repose sur celle de la transformation de l'énergie. Celle-ci peut s'opérer de deux façons : l'énergie interne d'un système change de forme (transformation de son énergie potentielle en énergie cinétique par exemple) ou bien un système transmet son énergie à un autre (les chocs par exemple, la transformation de l'essence en énergie cinétique, etc.).

Les questions du stockage et du transport de l'énergie sont importantes pour l'activité humaine.

Approche transversale

Une grandeur « universelle »

L'énergie est un concept créé pour quantifier les interactions entre des phénomènes très différents ; c'est un peu une monnaie d'échange commune entre les phénomènes physiques. Ces échanges sont contrôlés par les lois et principes de la thermodynamique. L'unité de l'énergie définie par le Bureau international des poids et mesures (BIPM) dans le système international (SI) est le joule.

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 lui permettent de provoquer le déplacement du vélo. L'intensité de ce déplacement (c'est-à-dire la vitesse) dépend de l'intensité des réactions chimiques des muscles du cycliste, qui peuvent être quantifiées (la quantité de sucre « brûlée » par la respiration, le métabolisme du muscle).

Prenons un autre exemple. Un moteur à explosion fonctionne grâce à une réaction chimique : la combustion qui a lieu à l'intérieur d'un cylindre. La réaction du combustible (l'essence) avec le comburant (l'oxygène de l'air) produit du gaz avec émission de chaleur et de lumière, ce qui se traduit par une augmentation de la température et de la pression dans le cylindre ; la différence de pression entre ce gaz et l'atmosphère de l'autre côté du 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 une augmentation de la quantité de mouvement des molécules (ce qui se traduit par une augmentation de la température du gaz et donc une augmentation de sa pression). Ce dernier provoque le mouvement d'un solide (le piston), qui va entraîner un système de transmission, et pouvoir ainsi d'une part faire tourner un axe, qui peut être par exemple relié aux roues d'une voiture ou bien à un alternateur. L'entraînement de la pièce mobile de cet alternateur va faire tourner un aimant qui, par induction au sein d'une bobine, va provoquer 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 et la quantité d'électricité produite par l'alternateur) en fonction de l'intensité du phénomène initial (la quantité de gaz et la chaleur produite par la réaction chimique de combustion).

Remarques

• Dans les applications grand public, et notamment dans le domaine de la nutrition, on exprime fréquemment l'énergie en calories ; la calorie est en toute rigueur l'énergie qu'il faut fournir pour faire chauffer un gramme d'eau, aux conditions normales de pression et de température, d'un degré Celsius, mais les nutritionnistes nomment par simplification « calorie » ce que les physiciens nomment « kilocalorie ».
• En électricité, on utilise le watt-heure (Wh), énergie consommée pendant une heure par un appareil ayant une puissance d'un watt, ou encore son multiple le kilowattheure (kWh) qui vaut 1 000 Wh. Celui-ci n'est pas très éloigné du travail que peut effectuer un cheval en une heure (736 Wh par convention) excepté en termes de coût, car il revient en France en 2005 à 7 centimes d'euro.
• Pour des raisons thermodynamiques (second principe), toute transformation énergétique réelle est irréversible, ce qui veut dire qu'en inversant l'opération (exemple : retransformer en mouvement via un moteur électrique l'énergie produite par la dynamo d'un vélo) on ne retrouve pas la quantité l'énergie consommée au départ. Cela est lié aux pertes.

Historique de la notion d'énergie

Le concept d'énergie est fondamental pour l'étude des phénomènes de transformation (comme la chimie et la métallurgie) et de transmission mécanique, qui sont la base de la révolution industrielle. Le concept physique d'énergie s'est donc logiquement affirmé au XIX^e siècle.

En 1686, Leibniz montre que la quantité m·v², appelée « force vive », se conserve. En 1788, Lagrange montre l'invariance de la somme de deux quantités, que l'on appellera plus tard « énergie cinétique » et « énergie potentielle ».

Au XIX^e siècle, on parvient par une série d'expériences à mettre en évidence des constats ou lois :

• On constate que la chute d'un poids donné d'une même hauteur produit toujours le même échauffement (calorimétrie) ;
• Et que si la vitesse finale n'est pas nulle, la hausse de température est moindre, comme si seulement une partie de la chute était convertie en vitesse et le reste en chaleur ;
• De même un échauffement pourra produire une dilatation, une augmentation de pression, qui elle-même permettra de « produire un travail » par exemple en déplaçant une masse ;
• 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, 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.

Par exemple, il est facile de transformer de la hauteur de chute en échauffement, 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 (en quantité), on pourra regarder d'un œil différent des systèmes complexes (notamment biologiques et chimiques) qui violent apparemment cette loi et, on parviendra, moyennant de nouveaux progrès scientifiques, à toujours valider le postulat ou principe de conservation de l'énergie.

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

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

• en mécanique ;
• en thermodynamique ;
• en électromagnétisme ;
• en mécanique quantique ;
• mais aussi dans d'autres disciplines, en particulier en chimie.
• en l'énergie d’origine biomassique (biomasse sèche, biomasse humide et biocarburants) ;