Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui peut se transformer en chaleur, travail mécanique (mouvement) ou lumière grâce à une machine (par exemple moteur, chaudière, réfrigérateur, haut-parleur, lampe) ou un organisme vivant (par exemple les muscles).

L'énergie est un concept essentiel en physique, né au XIXe siècle. On la retrouve toutes les branches de la physique (mécanique, thermodynamique, électromagnétisme, mécanique quantique,...) mais aussi dans les autres disciplines, en particulier en chimie.

L'énergie est une quantité qui se conserve : elle se transforme d'une forme en une autre mais ne disparaît jamais. 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. La "non conservation" de l'énergie mécanique en présence de dissipation est due à sa transformation en énergie thermique. L'apparition d'énergie dans les processus radioactifs provient de la transformation de l'énergie de masse en énergie cinétique. L'énergie d'une réaction chimique correspond à une variation de masse trop infime pour être mesurable: ce qui a fait croire un temps à la conservation de la masse dans les réaction chimique.

L'énergie existe sous de nombreuses formes :

• énergie électrique : l'énergie stockée dans un condensateur ou dans une bobine et transportée par les circuits électriques.
• énergie cinétique : l'énergie associée au mouvement d'une particule
• énergie thermique : la forme microscopique de l'énergie cinétique,
• énergie électro-magnétique : transportée par la lumière (énergie lumineuse)
• énergie de masse : avec la théorie de la relativité, Einstein nous a appris que masse et énergie sont équivalentes (le fameux E= M.c²). Par exemple, lors de fission nucléaire, la masse totale de matière diminue légèrement. La masse manquante est convertie en énergie cinétique. Dans les centrales nucléaires, cette énergie est ensuite transformée en énergie thermique et finalement en électricité.

• énergie potentielle gravitationnelle qui forme avec l'énergie cinétique ce qu'on appelle l'énergie mécanique.
• énergie potentielle chimique
• chaleur latente
• énergie nucléaire
• énergie potentielle électrostatique ou magnétostatique

La thermodynamique est la discipline qui étudie les transformations de l'énergie qui font intervenir l'énergie thermique. Le premier principe stipule que l'énergie se conserve, le second principe stipule les limitations à la transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique, électrique ou autre.

L'homme a très tôt compris les limites de sa force, et a utilisé la force des animaux, puis des machines (moulins, machine à vapeur, moteur à explosion, moteur électrique) pour fournir le travail mécanique. Dans les sociétés industrielles, la création de travail mécanique passe par la consommation de matières premières, principalement charbon, gaz naturel, pétrole et uranium ; ces matières premières sont appelées par extension "source d'énergie" (c'est en fait le phénomène chimique ou physique qui utilise ces matières premières qui fournit l'énergie). Comme l'énergie est nécessaire à toute entreprise humaine (parce qu'elle diminue localement l'entropie), l'approvisionnement en énergie est une des préoccupations majeures des sociétés humaines.

Table of contents

1 Approche vulgarisée 2 Energie, travail et chaleur 3 Rendement 4 Approvisionnement en énergie 5 Voir aussi

Approche vulgarisée

L'énergie est un concept créé par les humains pour quantifier les interactions entre des phénomènes très différents ; c'est un peu une monnaie d'échange commune entre les phénomènes physiques.

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 entraînent l'avancée du vélo, l'intensité de l'avancée (c'est-à-dire la vitesse) dépend de l'intensité des réactions chimiques du muscle (la quantité de sucre "brûlée" par la respiration, le métabolisme du muscle). L'énergie est une manière commune d'exprimer l'intensité des phénomènes, qui permet de calculer l'influence des intensité entre ces phénomènes très différents. Ainsi, plutôt que d'exprimer l'intensité de la réaction de respiration en "quantité de sucre brûlé par le muscle", on va l'exprimer en "énergie fournie par la réaction" ; et plutôt que d'exprimer l'intensité du déplacement en "vitesse", en va l'exprimer en "énergie cinétique" (c'est-à-dire "énergie de mouvement").

Prenons un exemple plus complexe. Si l'on considère un moteur à explosion, on a une réaction chimique (la combustion) qui provoque l'expansion d'un gaz et de la chaleur (l'explosion), la pression de ce gaz propulse un piston, qui va, à travers une transmission mécanique, faire tourner les roues ainsi qu'un alternateur qui va produire de l'électricité. On a donc un réarrangement des molécules (rupture et recréation de liaisons chimiques) qui provoque un mouvement désordonné des molécules (pression et chaleur du gaz), qui lui-même provoque un mouvement ordonné d'un solide (le piston), qui va provoquer des déformations élastiques (transmission du mouvement), ainsi qu'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) en fonction de l'intensité du phénomène initial (la quantité de gaz et la chaleur produites par la réaction chimique de combustion).

L'idée de base est de construire un phénomène étalon : une masse de 1 kg qui passe de 0 à 1 m/s. On attribue donc la valeur "1" à cette référence, l'unité qui l'exprime s'appelle le joule (J, homogène à des kg.m².s^-2). Si un phénomène (une réaction chimique, un champ électrique, la déformation d'un ressort...) est capable de faire passer une masse de 1 kg de 0 à 1 m/s, on dira que ce phénomène a dégagé une énergie de 1 J.

Energie, travail et chaleur

Le mot "énergie" provient du grec εργοs qui signifie "travail". Mais le mot "travail" est aussi utilisé en physique pour désigner l'énergie fournie par l'action d'une force.

En fait, en physique, force et énergie sont deux manières différentes de modéliser les phénomènes. Selon les cas, on préfère l'une ou l'autre expression. Par exemple, on pourra traiter la chute d'un objet avec les forces (loi de Newton, l'accélération est proportionnelle à la force et inversement proportionnelle à la masse) ou avec les énergies (la diminution de l'énergie potentielle de gravité est égale à l'augmentation de l'énergie cinétique). La force est la dérivée de l'énergie, et l'énergie est l'intégrale de la force (ceci est développé dans l'article travail d'une force).

Le travail désigne donc l'énergie d'un phénomène qui peut aussi être modélisé par une force, c'est-à-dire un phénomène qui provoque une action dirigée dans une direction. Mais certains phénomènes ont une action désordonnée, chaotique ; par exemple, l'agitation des molécules d'un gaz au repos (sans vent), ou bien l'agitation des atomes d'un solide. Cette agitation désordonnée provoque la sensation de "chaud", et elle est mesurée par un paramètre appelé température. L'énergie liée à cette agitation désordonnée est appelée chaleur.

Rendement

L'énergie libérée par un phénomène se disperse entre plusieurs autres phénomènes. Ainsi, dans une flamme (réaction chimique), une partie de l'énergie dégagée part en chaleur, l'autre en lumière. Souvent, on ne s'intéresse qu'a un seul des phénomènes. Le rendement, c'est la fraction d'énergie qui profite au phénomène qui nous intéresse.

Par exemple, dans le cas d'un moteur, ce qui nous intéresse, c'est le mouvement mécanique produit. L'énergie qui part en chaleur (en frottement et dans les gaz d'échappement) est considérée comme perdue. Une machine idéale, qui convertirait toute l'énergie libérée en mouvement mécanique aurait un rendement de 1 (ou de 100 %) ; le rendement réel est inférieur à 1.

Approvisionnement en énergie

Les sources d'énergies utilisées par l'homme sont :

• Les énergies fossiles (gaz, pétrole, charbon) dans les centrales thermiques.
• L'énergie nucléaire obtenue par fission nucléaire (la fusion nucléaire ne risquant de pouvoir fournir de l'énergie que d'ici 2050 au mieux).
• L'énergie de la biomasse (biomasse sèche, biomasse humide et biocarburants)
• L'énergie hydraulique
• L'énergie éolienne
• L'énergie solaire (conversion de l'énergie lumineuse en chaleur ou en électricité)
• L'énergie géothermique
• L'énergie marée motrice ou houlomotrice