Énergie

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Le bois, une des plus anciennes sources d'énergie

L'énergie est une des grandeurs physiques. Elle se mesure en joules, qui est l'unité de base du système international d'unités, mais aussi pour des raisons pratiques ou historiques en kilowatt-heures, en calories et dans d'autres unités encore. Le mot énergie provient du grec ἐνέργεια (enérgeia), qui a le sens général de « force » (physique ou surnaturelle).

L'énergie est la capacité à produire des actions comme fournir de la chaleur, de la lumière, ou appliquer une force sur quelque-chose qui se déplace comme lorsqu'on tire un objet ou qu'on soulève un poids. Lorsque c'est une force sur un objet qui se déplace en physique, on l'appelle un travail. Ainsi, l'énergie se présente sous des formes très variées (énergie chimique, chaleur...).

L'énergie est présente dans de nombreux domaines : les activités humaines (l'économie), les phénomènes naturels, la biologie, l'astronomie, etc. Le mot désigne souvent en particulier les différentes sources d'énergie utilisées les activités humaines comme l'industrie, les transports, nous déplacer, nous chauffer, nous éclairer. Nous avons aussi simplement besoin de l'énergie contenue dans les aliments pour vivre.

Il ne faut pas confondre l'énergie avec la puissance, mais les deux sont liées) : la puissance indique combien d'énergie est dépensée ou produite par un temps donné (par seconde en général).

L'énergie se conserve, c'est-à-dire qu'on peut la changer, au moins en partie, d'une forme d'énergie à une autre, en général pour l'utiliser. L'énergie « consommée » n'a pas disparu ; seulement après cela, elle n'est plus utilisable ou beaucoup moins : elle se dissipe en chaleur.

Unités[modifier | modifier le wikicode]

Étiquette d'information nutritionnelle (en allemand) sur un paquet de muesli. Les premières lignes indiquent l'énergie contenue pour 100 grammes et pour une portion en deux unités : les kilojoules et les kilocalories.

L'énergie se mesure grâce à des unités :

  • l'unité d'énergie du Système international d'unités (ou SI) est le joule (symbole J). Le joule est l'énergie fournie par une force d'un newton (la force d'un poids de 102 grammes sur terre) sur un déplacement d'un mètre. Un joule représente très peu d'énergie. Un enfant qui monte un étage par un escalier a produit un effort d'environ 1 000 joules. On utilise aussi les multiples du joule, comme le kilojoule (kJ, soit mille joules), le mégajoule (MJ, 1 000 000 joules) et le gigajoule (GJ, 1 000 000 000 joules).

Les autres unités courantes d'énergie sont notamment :

  • la calorie (cal) de 4,18 joules et la couramment la kilocalorie (kcal) de 4180 joules, qui sert typiquement à donner la quantité d'énergie contenue dans les aliments et l'énergie dépensée par quelqu'un lorsqu'il fait de l'exercice ; une kilocalorie ou « grande calorie » est la quantité d'énergie qu'il faut apporter à un kilogramme d'eau pour augmenter sa température de 1 °C ; "kilocalorie" souvent appelée "calorie" dans le langage courant
  • le kilowatt-heure (kWh), qui est l'unité usuelle de la consommation électrique que l'on peut consulter sur son compteur électrique, qui vaut 3 600 000 joules : énergie libérée par une puissance de 1 kilowatt pendant 1 heure
  • la tonne équivalent pétrole (tep) ou bien ses multiples comme la mégatonne équivalent pétrole (Mtep), principalement utilisée pour comparer l'énergie produite ou consommée à l'échelle des pays : environ 42 milliards de joules (41,868 GJ)
  • l'électron-volt (eV) : énergie de la charge d'un électron accélérée par la tension de 1 Volt, très petite – 0,00000000000000000016 joule (ou 1,602✕10⁻¹⁹ joule), utilisé par les physiciens pour mesurer des énergies atomiques ou nucléaires de très faible valeur
  • tonne de TNT : en explosant, 1 tonne de TNT libère environ 4,2 milliards de joules – unité utilisée couramment pour évaluer l'énergie dégagée par les armes nucléaires, le plus souvent exprimée en kilotonnes (1000 tonnes de TNT) ou mégatonnes (1 million de tonnes de TNT)

Sources d'énergie pour les activités humaines[modifier | modifier le wikicode]

Les hommes préhistoriques les plus anciens vivaient exclusivement de chasse et de cueillette. Ils ne cuisaient pas les aliments et, comme tous les animaux, n'utilisaient pas d'autre énergie que celle contenue dans leur nourriture (qui permet finalement le travail des muscles) ou dans les rayons du soleil pour se chauffer.

Il y a environ 500 000 ans, les hommes découvrent et maîtrisent le feu. Ils apprennent à l'entretenir et à l'utiliser pour se chauffer, s'éclairer, et cuire des aliments. Leur source principale d'énergie pour le feu est alors le bois, mais ils utilisent ensuite d'autres combustibles comme des graisses ou de l'huile dans le cas d'une lampe à huile, permettant de produire un peu de lumière. Avec la domestication, les hommes ont aussi utilisé le travail des animaux comme les bœufs et les chevaux.

Avec la révolution industrielle et des découvertes techniques, on a utilisé ensuite d'autres sources d'énergie : les énergies fossiles comme le charbon, le pétrole, le gaz naturel et l'énergie nucléaire ainsi que de nouvelles énergies renouvelables comme l'énergie hydraulique avec l'eau de barrages, le vent (éoliennes) et le soleil (énergie solaire). Ces sources d'énergie variées ont été utilisées pour se déplacer ou pour produire de l'électricité, par exemple.

La consommation mondiale d'énergie commercialisée était en 2018, d'environ 13 800 000 000 de tonnes d'équivalent pétrole, soit 1,86 tonne d'équivalent pétrole par habitant et par an en moyenne. Cette consommation mondiale a doublé depuis 40 à 45 ans, parce qu'à la fois la population mondiale et la consommation d'énergie par personne ont augmenté. Cela avait déjà énormément augmenté avant.

Cette énergie se répartit (en 2018) en environ 84 % de pétrole, charbon et gaz naturel, 4,4 % de nucléaire et 11,5 % d'énergies renouvelables. En plus de cela, il y a environ 8,5 % de cette quantité qui est des énergies auto-consommées (surtout du bois de chauffage ou pour la cuisine et des chauffe-eaux solaires par exemple). Cela fait donc en tout environ 18,5 % d'énergie renouvelable et 81,5 % d'énergie non renouvelable, qui est principalement des énergies fossiles de type hydrocarbures, et un peu d'énergie nucléaire1.

Le pétrole, le charbon et le gaz naturel utilisés en les brûlant produisent du CO2, un gaz à effet de serre qui est la cause la plus importante du réchauffement climatique. Il est donc recommandé d'en réduire beaucoup et rapidement la consommation pour limiter le réchauffement climatique. Comme ces énergies ne peuvent pas être remplacées dans les même quantités, cela veut dire forcément beaucoup réduire les quantités totales d'énergie consommée.

Quantités d'énergie[modifier | modifier le wikicode]

Pile d'environ 13 stères de bois, soit 21000 kWh. C'est la quantité de bois nécessaire pour chauffer une maison pendant un ou deux ans en climat tempéré.
C'est aussi l'équivalent de l'énergie consommée pour un aller-retour Paris-Rome en avion pour un groupe de 30 personnes, ou 7 personnes pour un aller-retour Paris-Montréal.

Au cours du XIXe siècle, les physiciens comme le français Sadi Carnot, l'anglais James Prescott Joule et l'allemand Rudolf Clausius comprennent petit à petit que le travail mécanique (travail d'une force) ou d'autres formes d'énergie mécanique et la quantité de chaleur sont des choses échangeables et qui peuvent être comptées avec la même unité : ce sont toutes des formes d'énergie.

Voici quelques exemples de quantités d'énergie, pour évaluer des ordres de grandeur. En effet, selon les domaines dont on parle, bien qu'il s'agisse de la même grandeur physique (elle peut s'exprimer avec la même unité), les quantités sont très différentes :

  • un avion en papier (feuille de 5,6 grammes) lancé et descendant du septième étage d'un immeuble, soit 18 mètres : 1 joule2 ;
  • soulever d'un mètre un sac de 10 kilogrammes : 98 joules 3 ;
  • un ballon de football lancé à 120 km/h lors d'un tir au but : 250 joules 4 ;
  • un enfant de 35 kg qui monte 7 étages (pour lancer un avion en papier !) : 6 200 joules5 - il s'agit du travail physique, le corps brûle environ 5 fois plus d'énergie, la différence se transforme en chaleur pendant cet effort) ;
  • brûler une feuille de papier (comme l'avion en papier) : 84 000 joules ;
  • faire bouillir un litre d'eau (chaleur) : 376 000 joules6 ;
  • Une voiture lancée à 130 km/h (énergie cinétique) : 650 000 joules7 ;
  • Monter de 1000 mètres (en montagne) quand on pèse 70 kilogrammes : 686000 joules ou 0,2 kilowatt-heure (kWh) de travail physique, mais environ 5 fois plus (près d'1 kWh) d'énergie chimique consommée ;
  • chauffer 30 litres d'eau pour une douche (chaleur) : 3 760 000 joules, soit environ 1 kilowatt-heure (KWh)8 (mais un demi kilowatt-heure si on ne consomme et on ne chauffe que 15 litres d'eau !) ;
  • l'alimentation d'une personne pendant une journée, ou ration alimentaire (wp) : environ 2 000 kilocalories9, soit 8 400 000 joules soit environ 2,3 kWh ;
  • une bûche de bois sec d'un kilogrammes à brûler : 15 000 000 joules, soit environ 4,3 kWh ;
  • un kilogramme de sucre : 16 700 000, soit environ 4,6 kWh ;
  • un litre d'essence (environ 730 grammes) : 31 000 000 joules, soit environ 8,6 kWh. Un litre de graisse ou d'huile alimentaire contient environ autant d'énergie ;
  • 100 km en voiture à essence : 187 000 000 joules, soit environ 52 kWh ;
  • chauffer une piscine publique de 450 mètres cubes de 1 °C : 1 881 000 000 joules (1,88 milliards) soit environ 522 kWh 10 ;
  • un voyage en avion aller-retour à 3 000 kilomètres pour une personne : 7 000 000 000 joules (7 milliards) soit environ 2 000 kWh ou 0,2 tonne d'équivalent pétrole ;
  • le chargement d'un pétrolier de 200 000 tonnes : 8 370 000 000 000 000 joules ou 2 326 000 000 kWh d'énergie dite primaire.

On peut calculer que l'énergie nécessaire pour transporter chaque passager dans une voiture moyenne transportant deux personnes ou dans un avion de ligne normalement rempli est à peu près la même pour la même distance11. Mais comme un avion de ligne va 10 fois plus vite qu'une voiture sur un voyage (900 km/h contre 90 km/h), un voyage de 2 heures d'avion consomme à peu près autant d'énergie que 20 heures de voiture !

Formes de l'énergie[modifier | modifier le wikicode]

L'énergie se trouve sous différentes formes et on peut la convertir d'une forme à l'autre. Cependant, la conversion d'énergie d'une forme à une autre n'est pas toujours possible ou bien seulement en partie et avec des dispositifs plus ou moins difficiles et coûteux. Dans la plupart des transformations de l'énergie (ou conversions) une partie de l'énergie se disperse, en général sous forme de chaleur, et n'est pas récupérable. On appelle cela des pertes.

Il y a l'énergie mécanique, qui elle-même peut être une énergie cinétique (énergie d'un objet lorsqu'il a de la vitesse), l'énergie potentielle de pesanteur (énergie des objets qui tombent ou qui descendent une pente), une énergie potentielle élastique, ou un travail. L'énergie potentielle mécanique est par exemple celle d'un arc tendu, et le travail est une force sur une certaine distance. En lâchant la corde d'un arc, l'énergie potentielle devient un travail, une poussée sur la flèche, puis cette énergie devient énergie cinétique de la flèche, puisque celle-ci a pris de la vitesse.

L'énergie chimique est l'énergie qu'une matière peut fournir en étant brûlée (comme du bois de chauffage), par transformations chimiques des molécules comme lors de la décomposition ou en étant consommée comme aliment.

La chaleur est une forme d'énergie (qu'on appelle aussi énergie thermique).

L'énergie lumineuse et en particulier l'énergie solaire peut être convertie en chaleur qui réchauffe le sol ou notre peau. L'énergie lumineuse est aussi utilisée par les plantes pour leur croissance, elle est alors convertie en énergie chimique.

L'énergie nucléaire est contenue dans les noyaux des atomes. Elle ne se libère pas facilement mais est très concentrée, environ un million de fois plus que l'énergie chimique. C'est l'énergie qui est utilisée dans des centrales nucléaires, qui la convertissent en chaleur puis en électricité. L'énergie lumineuse du Soleil (énergie solaire) vient aussi de réactions nucléaires de fusion nucléaire au centre du Soleil.

Conversion de l'énergie[modifier | modifier le wikicode]

L'énergie se conserve, on ne peut pas la détruire ni la créer. On ne peut que la convertir (en partie) d'une forme d'énergie à une autre ou la transférer.

Néanmoins ces changement de forme ne peuvent souvent pas être faits dans un sens comme dans l'autre. L'énergie qu'on a utilisé devient beaucoup plus difficile ou impossible à utiliser pour les mêmes usages.

Par exemple l'eau d'un étang, même si elle parait froide, contient beaucoup d'énergie sous forme de chaleur, puisque cette eau pourrait être être beaucoup plus froide. Mais on ne peut pas utiliser directement cette « chaleur » pour faire cuire des aliments ou faire tourner un moteur.

La thermodynamique est une spécialité de la physique qui explique les échanges de chaleur et comment on peut produire de l'énergie mécanique (du travail) avec des sources de chaleur.

Les moyens de transférer l'énergie[modifier | modifier le wikicode]

Le funiculaire de Fribourg : une voiture descend quand l'autre remonte. Elles s'échangent de l'énergie grâce à un câble qui les relie et qui tourne autour de poulies en haut de la rampe.

L'électricité est un moyen de transférer de l'énergie sous une forme très pratique à utiliser dans notre vie actuelle pour cuire, se chauffer, s'éclairer, faire marcher les ordinateurs etc. Le réseau de distribution de l'électricité ne contient quasiment pas d'énergie. À chaque instant on y met autant d'énergie que celle qui est consommée. C'est un peu comme la chaîne du vélo qui transfère l'énergie du cycliste à la roue arrière.

Il existe d'autres moyens de transférer de l'énergie :

  • mécanique : engrenages, courroies, chaînes...
  • par conduction de chaleur entre deux objets en contact ;
  • par convection c'est-à-dire le déplacement spontané d'un fluide (sur terre ce sont principalement l'eau et l'air). L'air chaud étant plus léger (moins dense) que l'air froid, il monte et emmène de ce fait avec lui de l'énergie. C'est pour cela qu'on met les radiateurs au niveau du sol dans les maisons ;
  • par déplacement de matière qui en contient : gazoduc, pétrolier, camion citerne, ou encore la circulation d'eau chaude dans le cas d'un chauffage central ;
  • la lumière ou le rayonnement de chaleur (deux sortes d'ondes électromagnétiques) sont des transferts d'énergie par rayonnement. C'est de cette manière que nous recevons l'énergie du soleil. L'énergie solaire est donc de l'énergie reçue par rayonnement.

On appelle « énergie primaire » l'énergie d'un carburant ou d'un combustible, ou une autre énergie qu'on trouve dans la nature, avant qu'elle soit transformée pour être utilisable directement ou facilement, par exemple sous forme d'électricité ou d'énergie mécanique pour faire avancer une voiture. La transformation de l'énergie primaire en énergie utilisable se fait avec des pertes, en général sous forme de chaleur. Le rapport entre l'énergie disponible sous la forme voulue et l'énergie primaire est le rendement. Le rendement d'une centrale électrique thermique est de l'ordre de 35 à 50 %. Celui d'un moteur à essence est plus faible.

Produire de la chaleur est plus facile : un poêle ou une chaudière de chauffage atteignent un rendement de 70 à 80 %. Les pertes sont alors surtout la chaleur des fumées.

Par exemple l'énergie mécanique cinétique d'une voiture ou d'un vélo roulant qui freine se transforme en chaleur dans les freins qui chauffent très fortement.

Énergie des êtres vivants[modifier | modifier le wikicode]

Les organismes vivants utilisent de l'énergie pour leur croissance et leur métabolisme. Les animaux l'utilisent aussi pour leurs mouvements par les muscles, et pour maintenir la température de leur corps quand il s'agit d'animaux homéothermes (couramment appelés animaux à sang chaud).

La source de l'énergie des plantes est la lumière du Soleil, donc de l'énergie solaire, que les plantes captent et transforment par le processus de photosynthèse. Ces plantes (dont des algues) sont ensuite l'origine presque unique de l'énergie de tout les autres organismes qui les mangent, comme les animaux et les champignons. C'est la chaîne alimentaire.

Les réserves d'énergie des organismes sont sous forme d'énergie chimique : principalement les lipides et les glucides. Les lipides sont les huiles et graisses tandis que les glucides ou sucres complexes, comme le glycogène chez les animaux ou l'amidon chez les plantes, sont une forme de stockage des sucres plus facilement utilisables que les lipides.

À l'intérieur des organismes (plantes, animaux, bactéries...), presque toutes les fonctions qui demandent de l'énergie utilisent une molécule particulière : l'adénosine triphosphate ou ATP. Lorsque les réserves d'énergie sous forme de glucides et de lipides sont utilisées, elles produisent cette molécule qui ensuite est utilisée pour le fonctionnement des muscles par exemple.

Images sur l'énergie Vikidia possède une catégorie d’images sur l'énergie.

Notes[modifier | modifier le wikicode]

  1. wp:Ressources et consommation énergétiques mondiales sur Wikipédia
  2. 18 mètres x 0,0056 kg x 9.8 c'est-à-dire g
  3. 1 mètre x 10 kg x 9.8 c'est-à-dire g
  4. 1/2 x 0,450 kg x (120/3,6)²
  5. 18 mètres x 35 kg x 9.8 c'est-à-dire g
  6. si l'eau passe de 10 °C à 100 °C : 1 litre x (100 - 10) x 4180 = 376 000 joules
  7. 1/2 x 1000 kg x (130/3,6)²
  8. si l'eau passe de 10 °C à 40 °C : 30 litres x (40 - 10) x 4180 = 3 760 000 joules
  9. Ration alimentaire. (2018, mars 5). Wikipédia, l'encyclopédie libre. Page consultée le 20:21, mars 5, 2018 à partir de http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Ration_alimentaire&oldid=146125743.
  10. 450 000 litres x 1 x 4180
  11. La consommation d'une voiture est typiquement de 6 litres pour cent kilomètres}} (l/100 km), ce qui fait 3 l/100 km par personne quand il y a deux personnes. D'après le site http://eco-calculateur.aviation-civile.gouv.fr/ qui calcule la consommation et les émissions par passager pour de nombreux voyages en avion, en prenant en compte le remplissage réel moyen des avions, la consommation par passager en avion varie selon le trajet de 2,8 à 3,1 l/100 km environ, soit environ de 3 l/100 km de kérosène.

Voir aussi[modifier | modifier le wikicode]

Article mis en lumière la semaine du 13 février 2023.
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