Énergie

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L'énergie, est la capacité à produire des actions comme fournir de la chaleur, de la lumière, ou mettre en mouvement un objet (quand on pousse un objet, par exemple). Lorsque c'est une mise en mouvement et en physique, on l'appelle un travail. Ce mot provient du grec energia, qui signifie « force en action ». Dans le cas d'une voiture, la source d'énergie est la combustion de l'essence.

L'énergie est une des grandeurs physiques et son unité dans système international d'unités est le joule. Mais on utilise couramment plusieurs autres unités.

Il ne faut pas confondre l'énergie avec la puissance, qui est combien d'énergie est dépensée ou produite par un temps donné (par seconde en général).

L'énergie est présente dans de nombreux domaines : les activités humaines (l'économie) les phénomènes naturels, la biologie, l'astronomie, etc.

Unités[modifier | modifier le wikicode]

L'énergie se mesure grâce à des unités. L'unité d'énergie du système international d'unités (ou SI) est le joule (symbole J). Un joule représente très peu d'énergie. Un enfant qui monte un étage par un escalier a dépensé plus de 1 000 joules.

Les autres unités courantes d'énergie sont notamment :

  • la calorie (cal), une unité assez ancienne. Elle 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 calorie est la quantité d'énergie qu'il faut apporter à un gramme d'eau pour augmenter sa température de 1 °C. Il existe aussi la Calorie (avec une majuscule) (Kcal), qui est la quantité d'énergie qu'il faut apporter à un kilogramme d'eau ; elle est égale à 1000 fois la petite calorie (car un kilogramme contient 1000 grammes). La calorie vaut 4,18 joules et la grande Calorie vaut 4180 joules ;
  • le kilowatt-heure (KWh), qui est l'unité usuelle de la consommation électrique que l'on peut consulter sur son compteur électrique. Un kilowatt-heure vaut 3 600 000 joules ;
  • la tonne d'équivalent pétrole (TEP), principalement utilisée pour comparer l'énergie produite ou consommée à l'échelle des pays. Une tonne d'équivalent pétrole vaut environ 42 millards de joules (41,868 GJ) ;
  • l'électron-volt (eV) utilisé par les physiciens pour mesurer des énergies de très faible valeur. Un électron-volt vaut 0,00000000000000000016 joule (ou 1,602 × 10-19 joule).

Activités humaines[modifier | modifier le wikicode]

Barrage de la Rance (France)
Le bois, une des plus anciennes sources d'énergie

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.

Il y a un peu plus de 500 000 ans, les hommes découvrent et maîtrisent le feu. Ils apprennent à l'entretenir et à l'utiliser pour se chauffer, s'éclairer, se protéger de certains animaux et cuire des aliments. Le bois devient ainsi une grande source d'énergie dans l'histoire de l'humanité. 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 et l'énergie nucléaire ainsi que des énergies renouvelables comme l'énergie hydraulique avec l'eau de barrages, le vent (éoliennes) et le Soleil (énergie solaire).

Pour un physicien, le terme de source n'est pas trop bon car l'énergie n'est pas créée. Le terme de source d'énergie est utilisé pour décrire un système qui convertit de l’énergie non utilisable en énergie utilisable par l'homme.

Quantités d'énergie[modifier | modifier le wikicode]

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 du septième étage d'un immeuble, soit 18 mètres : 1 joule (18 mètres x 0,0056 kg x 9.8 c'est-à-dire G) ;
  • soulever d'un mètre un sac de 10 kilogrammes : 98 joules (1 mètre x 10 kg x 9.8 c'est-à-dire G) ;
  • un ballon de football lancé à 120 km/h lors d'un tir au but : 250 joules (1/2 x 0,450 kg x (120/3,6)²) ;
  • une personne de 70 kg qui monte 20 étages (53 mètres) : 36 000 joules (20 x 2,66 mètres x 9.8 x 70 kg : il s'agit du travail physique, le corps brûle plus d'énergie qui 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 joules (si l'eau passe de 10 °C à 100 °C : 1 litre x (100 - 10) x 4180 = 376 000 joules) ;
  • Une voiture lancée à 130 km/h (énergie cinétique) : 650 000 joules (1/2 x 1000 kg x (130/3,6)²) ;
  • chauffer 30 litres d'eau pour une douche (chaleur) : 3 760 000 joules, soit environ 1 kWh (si l'eau passe de 10 °C à 40 °C : 30 litres x (40 - 10) x 4180 = 3 760 000 joules) ;
  • un repas : environ 1 000 kilocalories, soit 4 180 000 joules soit environ 1,2 kWh ;
  • une bûche de bois sec d'un kilogrammes à brûler : 15 000 000 joules, soit environ 4,3 kWh ;
  • un litre d'essence (environ 730 grammes) : 31 000 000 joules, soit environ 8,6 kWh ;
  • 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 (450 000 litres x 1 x 4180) ;
  • un voyage en avion aller-retour à 3 000 kilomètres pour une personne : 7 500 000 000 joules (7,5 milliards) soit environ 2 100 kWh ;

On peut calculer que l'énergie nécessaire pour transporter un passager dans une voiture moyenne, un avion de tourisme de 4 places ou un avion de ligne normalement rempli est à peu près la même pour la même distance. Mais comme un avion de ligne va 10 fois plus vite qu'une voiture, un voyage de 2 heures d'avion représente une consommation d'énergie comparable à 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, quoique cela puisse être difficile. De plus il est impossible de convertir toute l'énergie d'une forme à une autre. La seule conversion qui peut se faire totalement c'est de convertir une forme d'énergie en ce qu'on appelle chaleur, les autres conversions ne peuvent se faire qu'avec une partie de l'énergie qui sera transformée en chaleur et qu'on appelle des pertes car c'est une forme d'énergie qui n’était pas souhaitée.

Il y a l'énergie mécanique, qui elle-même peut être une énergie cinétique, une énergie potentielle mécanique ou un travail. L'énergie cinétique, est celle qu'un objet a pris lorsqu'il a de la vitesse, 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 que donne une matière comme du bois en brûlant, par combustion, et parfois avec d'autres réactions chimiques.

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

L'énergie se conserve et peut se transférer d'un système à un autre: on peut la transférer, la convertir mais pas la détruire ou la créer.

L'énergie peut être transférée par la lumière (ou par d'autre ondes électromagnétiques), on dit alors qu'elle est transférée 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.

L'électricité est aussi un moyen de transférer de l'énergie. Le réseau de distribution de l'électricité ne contient quasiment pas d'énergie. À chaque instant on y injecte autant d'énergie que celle qui est consommée. C'est un peu comme la chaine du vélo qui transfère l'énergie du cycliste à la roue arrière.

La chaleur ou énergie thermique est pour le physicien un mode de transfert de l'énergie et non une énergie.

En plus du rayonnement il existe d'autres moyens de transférer de l'énergie :

  • par contact : engrenages, courroies, chaine en mécanique, la conduction est un mode de transfert de l'énergie thermique par contact.
  • par déplacement de matière qui en contient : gazoduc, pétrolier, camion citerne, circulation d'eau chaude dans le cas du chauffage central. La convection est un moyen naturel de transfert de l'énergie par déplacement 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

Énergie biologique[modifier | modifier le wikicode]

Les organismes stockent leur énergie sous forme d'énergie chimique. Les lipides sont une forme de stockage de l'énergie. Les glucides sont une autre source d'énergie pour un organisme. Les 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.

L'énergie directement utilisable chez les organismes est la molécule d'ATP ou adénosine triphosphate. Presque toutes les réactions chimiques qui ont lieu dans un organisme utilisent plus ou moins directement cette molécule. Les glucides et les lipides, lorsqu'ils sont utilisés, le sont pour produire cette molécule. Les glucides sont convertis en glucose qui est ensuite utilisé pour fabriquer de l'ATP au cours de réactions connues sous le nom de glycolyse. La glycolyse extrait l'énergie du sucre très rapidement, mais le rendement est médiocre (2 ATP par molécule de glucose).

Mais c'est au cours de la respiration cellulaire que la plupart de l'ATP est produit. Cette respiration a lieu au niveau d'une organelle située dans les cellules, appelée mitochondrie. Avec la respiration cellulaire, une molécule de glucose donne environ 30 molécules d'ATP. Cette méthode est donc beaucoup plus rentable, mais elle est lente et nécessite du dioxygène. Lorsqu'on fait un exercice violent, comme courir un 60 mètres, les muscles n'ont plus assez d'oxygène et la demande en ATP est très urgente : la glycolyse est à ce moment le seul moyen de fournir l'ATP aux muscles. Les principaux inconvénients de la glycolyse sont son faible rendement par molécule de glucose, ainsi que la production d'acide lactique. L'acidité locale va agir au niveau de la contraction des muscles et la rendre plus difficile, voire la rendre impossible. Son principal avantage est sa rapidité.

Voir aussi[modifier | modifier le wikicode]


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