Énergie

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L'essentiel

Toutes les formes prises par l'énergie – énergies mécanique, cinétique, potentielle, chimique, lumineuse, électrique, thermique – sont une manifestation de la capacité qu'a un objet donné de réaliser une transformation, qui peut être un mouvement, ou une réaction chimique. Ces formes d'énergie peuvent être converties l'une en l'autre, ce qui est à l'origine des installations productrices d'électricité ou des moyens modernes de propulsion.

La fiche

La notion d'énergie est fondamentale dans la mesure où elle touche tous les grands domaines scientifiques, aussi bien techniques que biologiques par exemple. Ainsi, on peut parler d'énergie lorsque l'on frappe violemment une balle de tennis à l'aide de sa raquette ; intuitivement, celle-ci semble reliée à la vitesse qu'on peut lui communiquer lors de la frappe. De même, une facture d'électricité fait mention de la consommation de puissance et d'énergie électriques, liées aux courants et aux tensions « consommées » par les installations électriques. Dans le cas d'une boisson chaude, la chaleur dégagée par le liquide peut être associée à une certaine forme d'énergie, on parle alors de « chaleur » ou d'énergie thermique. Lorsque deux véhicules se percutent lors d'un accident, la violence du choc est liée à la vitesse que possédaient les deux véhicules, et cette forme d'énergie porte le nom d'énergie cinétique. Pour suppléer les installations électriques classiques, on peut recourir à des capteurs solaires qui convertissent l'énergie lumineuse solaire en électricité. Enfin, la consommation d'aliments permet de fournir à l'organisme les nutriments indispensables à la production d'énergie musculaire ou cellulaire, nécessaire, par exemple, pour maintenir la température corporelle.
L'énergie revêt donc des formes très variées. En dépit de cette diversité, il reste possible de passer d'une forme d'énergie à une autre : on parle alors de conversion d'énergie.
Compte tenu de notre consommation actuelle, on estime que les réserves pétrolières, source de la majeure partie de notre énergie, seront épuisées dans une quarantaine d'années. Pour faire face à cette diminution, il devient nécessaire de développer d'autres sources d'énergie.
Unité et formes d'énergie
Quelle que soit la forme prise par l'énergie, quelle que soit son origine, on mesure l'énergie en joules, de symbole J. Dans des domaines comme la diététique, on continue parfois à utiliser comme unité la calorie (1 calorie = 4,18 J).
Énergie cinétique, énergie potentielle, énergie mécanique
Une force peut mettre en mouvement un objet initialement au repos (le pousser par exemple), mais peut aussi assurer son équilibre en vertu du premier principe de la mécanique (principe galiléen de l'inertie ou première loi de Newton). En exerçant une telle action, on communique de l'énergie au solide : on peut lui communiquer de la vitesse, ou on peut lui communiquer une variation d'altitude.
Énergie cinétique
L'énergie cinétique d'un corps croît proportionnellement au carré de sa vitesse. Par définition, pour un corps de masse m (en kg) et de vitesse v (en m/s), l'énergie cinétique (en J) est définie par E_\mathrm{c} = \frac{1}{2} \times m \times v^2.
Application : lors du choc d'un véhicule, la distance d'arrêt, directement liée à l'énergie cinétique acquise par le véhicule avant l'impact, croît comme le carré de la vitesse que possédait le véhicule. Les distances d'arrêt données dans un livret de code évoluent comme le carré de v (vitesse exprimée en m/s).
Énergie potentielle
En variant l'altitude d'un objet à la surface de la terre, on peut lui communiquer une énergie appelée potentielle, dans la mesure où cet objet a ensuite la capacité de manifester cette énergie par le biais d'une chute par exemple.
Par définition, cette énergie Ep est proportionnelle à la masse m du solide (en kg), à son altitude par rapport au sol (h en mètres m) et à l'intensité g du champ de pesanteur terrestre : E_\mathrm{p}=m\times g\times h.
Exemple : si on lâche un boulet du haut d'un immeuble, sans lui communiquer de vitesse initiale, il peut tout de même déformer le sol en arrivant. Il va acquérir de l'énergie cinétique au cours de sa chute, et cette énergie vient de l'énergie potentielle qu'il stockait en attendant sa chute…
Énergie mécanique
Par définition, l'énergie mécanique E est la somme des deux énergies précédentes : E = E_\mathrm{c}+E_\mathrm{p}
Énergie lumineuse
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L'effet de serre : un mécanisme naturel© rue des écoles
L'effet de serre : un mécanisme naturel
L'effet de serre peut être envisagé comme un effet de redistribution de l'énergie lumineuse solaire à la surface de la terre. L'énergie lumineuse est captée par la surface de la terre, qui s'échauffe et réémet ainsi un rayonnement thermique dans l'infrarouge, notamment en direction de son atmosphère. Dans le cas où celle-ci contient des molécules de type CO2 (dioxyde de carbone), CH4 (méthane), ou des dérivés halogénés (contenant par exemple du chlore ou du brome, comme les CFC), mais aussi de la vapeur d'eau H2O, l'énergie émise par la terre et située dans l'infrarouge est absorbée par ces molécules, qui acquièrent du coup davantage d'énergie cinétique : elles sont plus agitées, l'atmosphère s'échauffe. En quelque sorte, l'énergie émise par la terre est piégée par les gaz à effet de serre.
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L'effet de serre© CEA
L'effet de serre
L'énergie lumineuse véhiculée par la lumière est reliée à sa longueur d'onde : les UV transportent plus d'énergie que les infrarouges.
Exemple: les UV peuvent être responsables de modifications cellulaires dans les tissus de la peau en raison de leur grande énergie.
Énergie chimique, énergie électrique, énergie interne (chaleur)
Énergie chimique
La liaison chimique (appelée liaison covalente) est le rapprochement de deux atomes ; comme leurs noyaux sont entourés d'électrons, la liaison correspond à la mise en commun, entre les deux atomes, d'électrons, qui sont aussi des charges électriques négatives. En revanche, les noyaux ne sont pas concernés par la liaison, ils ne peuvent pas fusionner (ce serait alors du domaine de la physique nucléaire). Lors d'une réaction chimique, la réorganisation des liaisons est susceptible de consommer mais aussi de produire de l'énergie au niveau moléculaire. C'est la manifestation de l'énergie chimique.
Exemple : A. Nobel, à la fin du xixe siècle, est le premier qui parvient à maîtriser la puissance explosive de la nitroglycérine. Ses recherches le mènent à l'invention de la dynamite.
Énergie électrique
L'Italien Volta est connu pour ses travaux sur l'électricité et pour son invention de la pile électrique en 1800. De son nom provient le volt, l'unité de tension électrique.
Dans un métal, au niveau microscopique, la circulation d'électrons nécessite l'application d'une action pour pousser les électrons à se déplacer. Cette énergie est communiquée par un générateur électrique (pile, batterie, prise de courant).
Agitation moléculaire et chaleur
La chaleur est la manifestation de l'énergie cinétique acquise par les molécules au niveau microscopique. Pour cette raison, on parle souvent d'énergie interne pour qualifier cette énergie.
Énergie biochimique
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Les aliments : source d'énergie et de matière© Rémi PICARD
Les aliments : source d'énergie et de matière
Au niveau cellulaire, les nutriments permettent aux cellules de fabriquer l'énergie nécessaire. Cette énergie est libérée par la réaction d'oxydation des nutriments par le dioxygène puisé dans l'air et véhiculé dans le sang. Cette énergie peut être convertie sous forme de chaleur, pour maintenir la température corporelle (énergie thermique). L'énergie dégagée sert aussi à l'entretien ou au renouvellement cellulaire, ou à la fabrication de nouvelles molécules (énergie chimique). En effet, fabriquer de nouvelles molécules revient à établir de nouvelles liaisons chimiques entre atomes préalablement liés : ces coupures et reconnexions se font au prix d'un échange d'énergie. Enfin, le stockage d'énergie est nécessaire pour le déploiement d'un effort musculaire (énergie mécanique).
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Le phénomène de respiration cellulaire© rue des écoles
Le phénomène de respiration cellulaire
Production d'énergie par conversion de phénomènes naturels
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Les différentes énergies renouvelables© CEA
Les différentes énergies renouvelables
À partir d'une forme d'énergie déjà disponible naturellement, il est possible de la convertir en une autre forme d'énergie.
Centrales hydroélectriques, éoliennes
Ce type de centrales exploitent l'existence d'un mouvement mécanique (force du vent qui entraîne une roue, force du courant d'un fleuve, mouvement des marées) pour le convertir en énergie électrique, comme pour un vélo par le biais d'une dynamo.
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Éoliennes© Photodisc
Éoliennes
Dans le cas des centrales thermiques, le principe est le même mais la turbine de l'alternateur (partie en rotation) est cette fois-ci entraînée par de la vapeur d'eau sous pression.
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© Photodisc
Énergie lumineuse ou solaire
La conversion de l'énergie solaire en énergie électrique est appelée effet photovoltaïque ; celle de l'énergie solaire en énergie chimique est un effet photochimique.
Exemple : le bronzage est un exemple d'effet photochimique.
Cette énergie dépend fortement de la longueur d'onde de la lumière que l'on envisage de capter.
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La lumière© CEA
La lumière
Exemple : dans le cas de la protection d'une maison par détection IR (infrarouge), le rayonnement émis par un homme (énergie thermique ou chaleur correspondant à une émission dans l'infrarouge) est convertie dans un boîtier en énergie électrique.
Production d'énergie biochimique
De plus en plus, on envisage de récupérer l'énergie « cachée » dans les déchets organiques ou la biomasse pour la convertir en une autre forme d'énergie. Il s'agit d'utiliser l'énergie stockée au niveau moléculaire dans les liaisons entre les atomes des molécules organiques, molécules le plus souvent produites par la photosynthèse.
Application à l'automobile
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Transformations de l'énergie dans une voiture© CEA
Transformations de l'énergie dans une voiture
Du carburant à la propulsion
Le carburant introduit dans le réservoir de l'automobile est constituée de molécules qui possèdent un potentiel énergétique à travers leurs liaisons chimiques. Celles-ci peuvent en effet être rompues lors d'une réaction de combustion avec le dioxygène de l'air. La combustion permet de produire de la chaleur qui va être accumulée par les gaz produits par la combustion. Cette chaleur entraîne une augmentation de pression des gaz, qui mettent en mouvement la partie mobile d'un moteur (comme pour la turbine d'une centrale hydroélectrique). L'élimination des gaz par le pot d'échappement donne aussi une énergie cinétique de propulsion au véhicule.
De la propulsion au déplacement
Dans son déplacement, le véhicule convertit l'énergie chimique des carburants en énergie cinétique : il acquiert de la vitesse. En raison du frottement des roues sur la chaussée (qui est indispensable pour que la voiture puisse avancer), il y a une dissipation d'énergie au niveau du sol : les pneus s'échauffent ou s'usent. Il y a aussi une perte d'énergie par frottement sur l'air.
Autres conversions d'énergie
Lors du déplacement du véhicule, de l'énergie électrique est produite par l'alternateur (conversion d'énergie mécanique en énergie électrique). La batterie se recharge (conversion d'énergie électrique en énergie chimique) et d'autres dispositifs utilisent de l'électricité, comme les phares qui réalisent une conversion de l'énergie électrique en énergie lumineuse.

Zoom sur…

La pile à combustible
Notre attention est de plus en plus attirée vers une démarche citoyenne visant à avoir une consommation énergétique maîtrisée, afin de réduire son impact sur l'environnement mais aussi préserver les ressources qui se tarissent.
Actuellement, on s'intéresse de très près aux prototypes de moteurs dits à piles à combustion. Moins polluants (ils ne rejettent que de la vapeur d'eau et ne consomment que du dioxygène présent dans l'air et du dihydrogène extrait de l'eau de mer), ces moteurs tirent leur énergie de la rupture des liaisons simples dans les molécules H2 (dihydrogène) et O2 (dioxygène), lors de la fabrication de la molécule d'eau (selon la réaction 2 H2 + O2 → 2 H2O).
Augurant des futurs modes de propulsion, quelques voitures existent actuellement dans le monde. La difficulté réside encore actuellement dans l'extraction du dihydrogène de l'eau salée (par électrolyse) et la conception d'un moteur autonome.
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