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L’énergie en physique
L’énergie est la capacité d’un système à produire un travail, de la chaleur ou un rayonnement. Elle se mesure en joules, change de forme mais ne se crée ni ne se détruit.
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Soulever une valise, chauffer de l’eau, éclairer une pièce ou faire rouler une voiture : tout cela demande de l’énergie. La physique ne dit pas ce qu'est l’énergie en soi ; elle la définit comme une grandeur qui se conserve au cours de toutes les transformations et que l’on peut calculer pour chaque forme. C’est l’un des concepts les plus puissants de la science, car il relie la mécanique, l’électricité, la chimie, la thermodynamique et la physique nucléaire.
Les unités de l’énergie
| Unité | Symbole | Équivalence | Usage |
|---|---|---|---|
| Joule | J | unité SI : 1 J = 1 N·m = 1 kg·m²/s² | Physique |
| Kilowattheure | kWh | 3,6 × 10⁶ J | Factures d’électricité |
| Calorie | cal | 4,184 J | Chimie, ancien usage |
| Kilocalorie (« Calorie » alimentaire) | kcal | 4 184 J | Nutrition |
| Électronvolt | eV | 1,602 × 10⁻¹⁹ J | Physique atomique et des particules |
| Tonne d’équivalent pétrole | tep | ≈ 41,9 × 10⁹ J | Statistiques énergétiques |
Un joule correspond à peu près à l’énergie nécessaire pour soulever une pomme de 100 g d’un mètre.
Énergie et puissance
La puissance est l’énergie transférée par unité de temps : P = E / t. Elle se mesure en watts (1 W = 1 J/s). Un radiateur de 2 000 W qui fonctionne 3 heures consomme E = 2 kW × 3 h = 6 kWh. Confondre kW (puissance) et kWh (énergie) est l’erreur la plus fréquente.
Les principales formes d’énergie
| Forme | Origine | Formule |
|---|---|---|
| Cinétique | Mouvement d’un corps | Ec = ½ × m × v² |
| Potentielle de pesanteur | Position dans un champ de gravité | Epp = m × g × h |
| Potentielle élastique | Déformation d’un ressort | Ee = ½ × k × x² |
| Thermique (interne) | Agitation des atomes et molécules | variation : Q = m × c × ΔT |
| Électrique | Déplacement de charges | E = U × I × t |
| Chimique | Liaisons entre atomes | libérée ou absorbée dans une réaction chimique |
| Nucléaire | Liaisons dans le noyau | E = Δm × c² |
| Rayonnante (lumineuse) | Ondes électromagnétiques, photons | E = h × ν par photon |
L’énergie mécanique d’un système est la somme de ses énergies cinétique et potentielle : Em = Ec + Ep.
Le principe de conservation de l’énergie
L’énergie d’un système isolé reste constante : elle peut changer de forme ou passer d’un corps à un autre, mais elle ne peut être ni créée ni détruite.
Ce principe, établi au milieu du XIXe siècle (Mayer, Joule, Helmholtz), constitue le premier principe de la thermodynamique. Il n’a jamais été mis en défaut.
Exemple du pendule : au point le plus haut, l’énergie est entièrement potentielle ; au point le plus bas, elle est surtout cinétique. Sans frottement, il oscillerait indéfiniment. En réalité, les frottements convertissent peu à peu l’énergie mécanique en chaleur : elle n’est pas perdue, elle est dissipée.
Conversions et rendement
Toute machine convertit une forme d’énergie en une autre. Une partie, souvent sous forme de chaleur, n’est pas utile. Le rendement est le rapport :
η = énergie utile / énergie consommée (toujours inférieur à 1, soit 100 %)
| Convertisseur | Conversion | Rendement typique |
|---|---|---|
| Moteur électrique | électrique → mécanique | 85 à 95 % |
| Moteur à essence | chimique → mécanique | 25 à 35 % |
| Centrale thermique (charbon, gaz) | chimique → électrique | 35 à 60 % |
| Panneau photovoltaïque | rayonnante → électrique | 15 à 23 % |
| Lampe à incandescence | électrique → lumière | moins de 5 % |
| Lampe LED | électrique → lumière | 30 à 50 % |
| Photosynthèse | rayonnante → chimique | 1 à 2 % |
Le second principe de la thermodynamique explique pourquoi un rendement de 100 % est impossible lorsqu’on transforme de la chaleur en travail.
Masse et énergie : E = mc²
La relativité restreinte d’Einstein (1905) établit que la masse est une forme d’énergie : E = m × c², où c ≈ 3 × 10⁸ m/s est la vitesse de la lumière. Un gramme de matière entièrement converti libérerait environ 9 × 10¹³ J, soit 25 millions de kWh. Dans les centrales nucléaires et dans le Soleil, une petite fraction de la masse des noyaux est convertie en énergie (fission ou fusion).
Sources d’énergie : primaires et secondaires
- Énergies primaires : disponibles dans la nature (pétrole, gaz, charbon, uranium, vent, soleil, eau, biomasse, géothermie).
- Énergies secondaires : obtenues par transformation (électricité, hydrogène, carburants raffinés).
- Renouvelables : se reconstituent à l’échelle humaine (solaire, éolien, hydraulique, biomasse, géothermie). Non renouvelables : stocks finis (fossiles, uranium).
L’électricité n’est donc pas une source d’énergie mais un vecteur, qui transporte l’énergie d’une centrale vers les utilisateurs (voir les bases de l'électricité).
Questions fréquentes
Quelle est l’unité de l’énergie ?
Le joule (J) dans le Système international. Dans la vie courante on utilise aussi le kilowattheure (1 kWh = 3,6 millions de joules) et la kilocalorie (1 kcal = 4 184 J).
Pourquoi dit-on qu’on « consomme » de l’énergie si elle se conserve ?
Parce qu’on la transforme en formes moins utilisables, en général de la chaleur dispersée dans l’environnement. La quantité totale est conservée, mais sa « qualité » se dégrade (augmentation de l’entropie).
Quelle différence entre énergie et puissance ?
La puissance est un débit d’énergie : P = E / t. Un appareil de 1 000 W qui fonctionne une heure consomme 1 kWh d’énergie.
Quelle est la forme d’énergie la plus concentrée ?
L’énergie nucléaire : la fission d’un kilogramme d’uranium 235 libère environ 8 × 10¹³ J, soit à peu près deux millions de fois plus que la combustion d’un kilogramme de pétrole.