Énergie (physique)

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[13].

Lorsqu'un phénomène entraîne un autre phénomène, l'intensité du second dépend de celle 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 (aussi appelé carburant dans le cas d'un moteur thermique) 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 et entraîner divers organes dans le cas d'un véhicule. 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 leur quantité de mouvement, ce qui se traduit par une augmentation de la température du gaz et donc une augmentation de sa pression. Cette dernière 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, notamment dans le domaine de la nutrition, on exprime fréquemment l'énergie en « calories » (notée cal) ; 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 » (notée kcal ou Cal).
• 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).
• Pour des raisons thermodynamiques (deuxième 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 d'énergie consommée au départ. Cela est lié aux pertes sous forme de chaleur.

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 1652, Huygens montre que la quantité m·v² est celle qui se conserve dans tous les cas de choc élastique.

À partir de 1686, Leibniz appelle cette quantité la « force », « force vive » sa partie cinétique et « force morte » ce qu'on appelle énergie potentielle, puis développe sous le nom de « dynamique » la première théorie énergétique, où m·v² est le principe actif dans la matière, sa réalité première[14].

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'une masse donnée d'une même hauteur produit toujours la même quantité de chaleur (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.

Dans le Système international d'unités, l'énergie est une grandeur exprimée en joules (${\displaystyle \mathrm {ML^{2}T^{-2}} }$)[13].

En science physique, un échange d'énergie est une manière d'exprimer l'intensité des phénomènes ; c'est de fait une quantité mesurable, et qui s'exprime de manière différente selon les transformations que subit un système (réaction chimique, choc, mouvement, réaction nucléaire, etc.). L'énergie se définissant de manière différente selon les phénomènes, on peut de fait définir diverses « formes d'énergie » (voir plus loin).

Par ailleurs, à l'échelle macroscopique, tout phénomène possède une cause ; c'est la variation d'intensité du phénomène-cause qui provoque la variation de l'intensité du phénomène-effet. Si les intensités des phénomènes cause et effet sont exprimées sous la forme d'une énergie, on voit alors que l'énergie se conserve (voir ci-après).

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

Certaines activités utilisent d'autres unités, notamment l'électron-volt (1 eV = 1,602 × 10⁻¹⁹ J), le kilowatt-heure (1 kWh = 3,6 MJ), la tonne d'équivalent pétrole (1 tep = 41,868 GJ), la calorie (1 cal = 4,18 J), la grande calorie (en diététique : 1 Cal = 1 kcal = 4 182 J), et le kilogramme en physique relativiste.

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 au rendement de la transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique, électrique ou autre.

Le travail est un transfert ordonné d'énergie entre un système et le milieu extérieur.

• Considérons un ensemble cylindre, piston, lequel est à la base de l’obtention de travail mécanique par action de la chaleur. À l’échelle microscopique les chocs des particules de gaz sur le piston définissent la pression exercée sur celui-ci à l’échelle macroscopique. Chaque choc contribue au déplacement, concerté avec les autres chocs, du piston dans la même direction. Il y a addition des forces induites par chaque choc et c’est pourquoi le transfert d’énergie est considéré comme ordonné.
• Si l’on considère maintenant le travail électrique. Il est dû au déplacement des électrons dans un conducteur sous l’influence d’un champ électrique. Ici encore l’ensemble des électrons se déplace dans la même direction et les effets s’additionnent au niveau macroscopique.

La chaleur est un transfert désordonné d’énergie entre le système et le milieu extérieur.

La chaleur est un transfert d’agitation thermique. L’agitation des particules se propage au gré des chocs dans toutes les directions, de façon désordonnée. C’est pour cette raison que l’on ne peut jamais transformer intégralement de l’énergie thermique en travail alors que l’inverse est possible (ex: travail électrique transformé en chaleur par effet Joule dans un radiateur électrique). On dit encore que la montée en température correspond à une dégradation de l’énergie.

Ce transfert thermique, appelé chaleur, s'effectue du système le plus chaud vers le plus froid, c’est-à-dire celui dont les particules sont statistiquement les plus agitées, va transmettre son agitation thermique au gré des chocs plus ou moins énergétiques, au milieu extérieur ou au système statistiquement le moins agité, c’est-à-dire le plus froid. Cette constatation intuitive est formalisée par le second principe de la thermodynamique.

Le travail et la chaleur ne sont pas des fonctions d’état. Leur quantité, mise en jeu au cours d’une transformation, dépend de la façon dont on procède.

La conversion d'énergie d'une forme à une autre n'est en général pas complète : une partie de l'énergie présente au départ est dégradée sous forme d'énergie cinétique désordonnée (on dit parfois qu'elle est transformée en chaleur). On nomme rendement le quotient de l'énergie obtenue sous la forme désirée par celle fournie à l'entrée du convertisseur.

Prenons l'exemple d'un moteur thermique. Ce qui intéresse son utilisateur, c'est le mouvement mécanique produit. Le reste de l'énergie est au mieux considéré comme perdu (la part extraite sous forme de chaleur dans les gaz d'échappement), au pire nuisible (la part qui correspond à un travail d'usure physique ou chimique du moteur).

Un moteur électrique idéal, qui convertirait toute l'énergie du courant électrique en mouvement mécanique, aurait un rendement de 1 (ou de 100 %). En réalité, s'il est proche de 95 % pour les machines les plus puissantes, il est en moyenne aux alentours de 80-85 % seulement pour un moteur à courant alternatif de quelques kilowatts, et un peu plus faible encore pour les moteurs à courant continu, du fait, entre autres, des frottements des balais sur le rotor et d'une moins bonne répartition du champ magnétique dans la machine.

Le rendement réel d'un convertisseur est donc toujours inférieur à 1, sauf dans le cas des convertisseurs dont le rôle est de produire de l'énergie thermique pour lesquels il est unitaire (chauffage électrique).

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

• une pompe à chaleur (ou un climatiseur inversé) donne couramment trois fois plus de chaleur qu'on lui a injecté d'énergie électrique. En effet, au lieu de dissiper cette énergie en chaleur par effet Joule comme les appareils de chauffage électrique ordinaires, la machine prélève de l'énergie thermique dans un milieu extérieur (fût-ce dans une eau à 2 °C, soit encore 275,15 kelvins) : l'énergie électrique consommée sert alors à déplacer cette chaleur plutôt qu'à la produire. Or il n'y a pas de limite théorique à la quantité d'énergie thermique qu'un joule électrique peut déplacer. Le rendement énergétique est en fait égal à 1 (par définition, puisque l'énergie se conserve), et l'on nomme coefficient de performance l'efficacité énergétique du système, c'est-à-dire le rapport de l'énergie mise à disposition par la pompe à chaleur à celui qu'aurait assuré le seul effet Joule ;
• Un autre cas de rendement apparent supérieur à 1 provient d'une sous-estimation de l'énergie injectée pour des raisons historiques. Ainsi, les chaudières ont traditionnellement pour référence l'énergie « PCI » (pouvoir Calorifique Inférieur) du combustible, qui suppose une combustion ne produisant que des gaz. Or la combustion libère également de l'énergie thermique sous forme de vapeur d'eau, que les chaudières à condensation sont capables de récupérer en la retransformant en eau liquide ; on affiche ainsi parfois des rendements apparents supérieurs à 1, alors que le pouvoir calorifique supérieur, plus adapté, reste lui inférieur à 1.

L'énergie ne peut ni se créer ni se détruire, mais uniquement se transformer d'une forme à une autre ou être échangée d'un système à un autre (principe de Carnot). C'est le principe de conservation de l'énergie : l'énergie est une quantité qui se conserve. Cette quantité est composée d'éléments divers (énergie cinétique, énergie thermique, énergie potentielle, énergie de masse, etc.), qui s'échangent dans un jeu à somme nulle.

Ce principe empirique a été validé en 1915, bien après sa découverte, par le théorème de Noether. La loi de la conservation de l'énergie découle de l'invariance dans le temps des lois de la physique[15].

Ce principe est tellement fort en physique qu’à chaque fois qu'il a semblé ne pas être vérifié cela a conduit à des découvertes importantes. 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. Par exemple, 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.

En pratique, on distingue souvent différentes « formes » d'énergie. Toutefois, l'énergie sert à mesurer l'intensité d'un phénomène, cette division n'est qu'une manière de faire correspondre l'énergie au phénomène qu'elle mesure. Par ailleurs, cette distinction 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 termes d'énergie « cinétique », « électromagnétique », ou « potentielle »…

Les formes d'énergie classiquement considérées sont :

• énergie cinétique : l'énergie associée au mouvement d'un corps ou d'une particule ; cela comprend également l'énergie électromagnétique transportée par les photons (lumière, ondes radio, rayons X et γ…) ou par des particules chargées (énergie électrique) ;
• énergie thermique : l'énergie cinétique qui correspond aux mouvements des particules dans le système ;
• énergies potentielles, composées d'autres types d'énergie : moyennant un petit changement, possible sans travail, un système instable se transforme en un système plus stable, avec conversion de la différence d'énergie entre les deux systèmes (le plus stable ayant une énergie moindre),
  • énergie potentielle de pesanteur ou énergie potentielle élastique (ajoutées à l'énergie cinétique, elles forment l'énergie mécanique),
  • énergie potentielle chimique,
  • énergie potentielle gravitationnelle,
  • énergie potentielle électromagnétique (énergie potentielle électrostatique ou magnétostatique): position instable d'une ou plusieurs particule(s) chargée(s) dans un champ électromagnétique, par exemple l'énergie stockée dans un condensateur ou dans une bobine électrique,
  • chaleur latente,
  • énergie libre.

Dans la théorie de la relativité, Albert Einstein établit l'existence de deux formes d'énergie seulement :

• énergie cinétique, due à la masse et à la vitesse relative du corps ;
• énergie de masse : masse et énergie au repos sont équivalentes (E = mc²). Par exemple, lors de la fission nucléaire, la masse totale de matière diminue et la masse « manquante » (défaut de masse), immatérielle, correspond à la partie de la masse convertie en énergie cinétique des particules ou en énergie thermique. Par exemple, dans une centrale nucléaire, cette énergie dite nucléaire est utilisée pour chauffer de l'eau en vue de produire de l'électricité.

En thermodynamique, l'énergie fatale est l'énergie inéluctablement présente ou piégée dans un processus ou un produit, qui parfois et pour partie peut être facilement récupérée et valorisée ; par exemple, à la suite de retards dans la mise en place du recyclage, la France produisait dans les années 2000 plus de 25 millions de tonnes par an de déchets ménagers dont 40 % étaient encore traités par incinération. Le pouvoir calorifique de ces déchets est une forme d'énergie fatale. Sans récupération (récupération de chaleur, méthane, hydrogène et/ou électricité, etc., éventuellement avec cogénération ou trigénération, cette énergie serait perdue dans l'environnement (dans les décharges) ou rejetée dans l'atmosphère. La combustion de déchets peut produire de la vapeur qui peut alimenter des serres, des usines ou un réseau urbain de chaleur. La méthanisation des déchets organiques peut produire de substantielles quantités de méthane, et un compost valorisable en agriculture.

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'autres plus lentement ; par exemple, un manutentionnaire gringalet mettra longtemps avant de monter des parpaings un par un en haut de l'échafaudage, 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 le ratio de l'énergie fournie par un phénomène par la durée du phénomène, P = dE/dt.

La puissance se mesure en watts (1 W = 1 J/s).

Les transferts thermiques font partie d'un domaine de la thermodynamique appelé thermodynamique irréversible, c'est-à-dire, pour simplifier, que le phénomène ne peut pas revenir en arrière.

L'énergie transférée se présente essentiellement sous forme de chaleur qui va spontanément d'une zone chaude vers une zone froide (Second principe de la thermodynamique). Ce transfert de chaleur peut être accompagné d'un transfert de masse. Ce phénomène se présente sous trois formes différentes :

• conduction ;
• convection ;
• rayonnement.

Chacun de ces trois modes est prépondérant dans son univers de prédilection : la conduction dans les solides, la convection dans les fluides en mouvement (liquides, gaz), le rayonnement dans le vide (où c'est le seul mode possible).

La conduction thermique est le phénomène par lequel la température d'un milieu s'homogénéise. Il correspond à la transmission de l'agitation thermique entre molécules et se produit dans un solide, un liquide ou un gaz. Exemple : la température d'un barreau chauffé à une extrémité a tendance à s'uniformiser par conduction thermique.

La convection est le transfert de chaleur provoqué par le mouvement des particules d'un fluide. Il se produit dans un fluide en mouvement. Exemple : l'air chaud, moins dense, monte, transportant la chaleur du bas vers le haut.

Le rayonnement est le transfert de chaleur par propagation d'ondes électromagnétiques ou par désintégration radioactive. Il peut se produire dans tous les milieux, vide y compris. Exemple : la Terre est chauffée par le rayonnement du soleil.

• Ordres de grandeur d'énergie
• Formes d'énergie : Énergie cinétique, Énergie potentielle, Énergie électromagnétique et Énergie mécanique
• Énergies selon leurs sources ou leurs vecteurs :

• Conversion de l'énergie : Graphe de liaisons, Énergie primaire, Énergie finale
• Exergie, Récolte d'énergie et Énergétisme

• Notices d'autorité :

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• Ressource relative à la littérature :
  • (en) The Encyclopedia of Science Fiction
• Notices dans des dictionnaires ou encyclopédies généralistes :

  • Britannica
  • Enciclopedia italiana
  • Gran Enciclopèdia Catalana
  • Store norske leksikon
  • Treccani
  • Universalis
• Roger Balian, Gabrielle Bonnet, L'élaboration du concept d'énergie, Académie des Sciences - Service de Physique Théorique, CEA de Saclay, 12 janvier 2009.
• L’émergence du concept et du terme [d’énergie] en physique.
• Claude Paul Bruter (professeur de mathématiques), Énergie et stabilité éléments de philosophie naturelle et d’histoire des sciences [PDF], université Paris 12.
• Henri Poincaré, La théorie de Lorentz et le principe de réaction, sur Wikisource.
• Histoire, Épistémologie et Didactique du concept d'Énergie [PDF]
• Du concept de travail vers celui d'énergie : L'apport de Thompson
• L’élaboration historique du concept d’énergie
• Apprentissage du champ conceptuel de l'énergie pour des élèves ingénieurs
• Marc Couture, avec la collaboration de René Lepage, Claire O’Neill et Anik Daigle, Astronomie histoire et concepts – Guide d’étude [PDF].
• Danièle Ghesquier-Pourcin, Muriel Guedj, Gabriel Gohau et Michel Paty, Énergie, science et philosophie au tournant des XIX^e et XX^e siècles
• Historique du concept d'énergie
• Bénédicte Abraham, Les concepts de « force » et d’« énergie » en Allemagne à la lumière des définitions des dictionnaires entre la seconde moitié du XVIII^e siècle et le début du XIX^e siècle
• Arnaud Mayrargue, Émergence du concept d’énergie, Revue du Palais de la Découverte, 2011