L'énergie - qu'est-elle ? D'où vient-elle ?

Bonjour à toutes et à tous et Bienvenue !

L'énergie.

Qu'est-ce que l'énergie ?
Cette question peut paraître anodine et pourtant, y répondre n'est pas forcément chose aisée. En clair, c'est pas clair ! Sauf si on prend le temps de s'y pencher quelques minutes.
Jean-Marc Jancovici a répondu à cette question à de nombreuses reprises et de diverses manières. Ma préférée parmi toutes ses explications est celle qu'il nous a proposé sous la forme d'une bande dessinée, réalisée avec Christophe Blain, parue aux éditions Dargaud en 2021 : « Le monde sans fin ». Ils nous expliquent que l'Énergie, c'est Iron Man !

Nous n'allons pas reprendre cette métaphore ici, même si elle est très pertinente et visuelle. En revanche, je ne saurais trop vous conseiller d'aller jeter un oeil à cette bande dessinée : elle est bien construite, parlante et permet de comprendre les enjeux pour notre planète.

Sur ce, reprenons !

Le terme d'énergie a un sens assez diffus. Issu du grec ancien energia, il signifie « force en action ».

L'énergie - quelques notions

Lorsqu'une voiture de 2 tonnes accélère jusqu'à atteindre sur une autoroute la vitesse de 100 km/h, elle a besoin d'une certaine énergie pour se mettre en mouvement puis pour maintenir sa vitesse. Mais un camion de 100 tonnes roulant à 100 km/h aura besoin d'une énergie bien supérieure pour accélérer et se maintenir à vitesse constante.
Pourquoi ? Parce que l'énergie qui les meut dépend de la masse des véhicules. Pour faire se mouvoir un camion de 100 tonnes, il faut plus d'énergie que pour déplacer une voiture de 2 tonnes. Jusque-là, c'est assez intuitif.

De même, pour soulever une bouteille d'eau de 1,5 litres (et donc, de 1,5 kg car 1 L d'eau douce = 1 kg), nous avons besoin d'y mettre moins de force que pour soulever un pack de six bouteilles d'1,5 L. Intuitivement, on comprend qu'on a besoin de moins d'énergie pour soulever une seule bouteille que pour en soulever six.

Énergie et état d'un système

L'énergie dépend de l'état dans lequel se trouve le système physique que l'on regarde.

Prenons un autre exemple : le ressort.
Lorsqu'un ressort est au repos, il dispose d'une certaine énergie. Lorsque ce même ressort est soumis à une contrainte, comme la compression, il accumule de l'énergie : en changeant d'état, passant d'un état initial neutre à un état comprimé, son niveau d'énergie change. Lorsque le ressort comprimé retrouve son état initial, il se "décomprime" en libérant l'énergie accumulée.

L'énergie qui s'était accumulée dans le ressort est émise dans son environnement : c'est un transfert d'énergie. En se faisant, l'énergie se transforme. C'est cette transformation, ce transfert, que nous voyons et utilisons depuis que nous avons commencé à domestiquer l'énergie qui nous entoure.

Ajoutons une notion essentielle : l'énergie ne se perd pas. C'est le premier principe de la thermodynamique :

"Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme." Antoine de Lavoisier, XVIII^e siècle.

Parler de gain ou de perte d'énergie est donc un abus de langage dans le sens où l'énergie d'un système et de son environnement se conserve. Il est important de bien le comprendre.

Pour s'en assurer, prenons un nouvel exemple : celui des freins à patins d'un vélo. Rouler à vélo implique une certaine quantité d'énergie. Freiner brutalement pour s'arrêter en quelques dizaines de centimètres implique un transfert de cette énergie de mouvement et ce transfert se fait dans les patins des freins : l'énergie de mouvement se transforme en chaleur.

C'est exactement la même chose dans le cas des freins à disques des voitures : lorsqu'on pile avec une voiture, l'énergie associée à la vitesse du véhicule est convertie en chaleur dans les disques de frein. Plus on roule vite, plus l'accumulation de chaleur dans les disques est importante et plus les disques chauffent. Ce qui explique pourquoi on peut sentir une odeur de chaud après un freinage un peu vif, même en hiver.

Quelle unité pour l'énergie ?

Comme la plupart des mesures physiques, l'énergie a une unité : le Joule (J). Cette unité permet de qualifier à la fois l'énergie, le travail (donc l'action induite par l'énergie) et la quantité de chaleur (parler d'une perte par effet Joule revient simplement à parler d'une perte de chaleur).

Si on reprend la définition de Wikipédia, pour définir le Joule on considère le travail (donc l'action) d'une force motrice (donc impliquant un mouvement) de 1 Newton (N) (c'est l'unité de mesure de la force, 1 N = 1 kg • m • s^-²) dont le point d'application (donc le point sur lequel la force s'exerce, le point que l'on "pousse") se déplace d'1 m dans la direction de la force (donc dans le sens dans lequel on "pousse").

Autrement dit : le Joule est l'action de mettre en mouvement un objet dont la face que l'on pousse se déplace d'un mètre dans le sens de la poussée.

Représentons ça en image :

1 Joule, c'est également à peu près l'énergie qu'il faut dépenser pour soulever une pomme de 1 m au-dessus du sol !

Le Joule est une très petite unité, on parle donc souvent en kilojoules (kJ). Mais avant d'aller plus loin sur cette question, nous devons aborder une une notion implicite qui ressort dans les différents exemples que nous venons de voir. Elle est particulièrement visible dans l'exemple de la voiture et du camion : la notion de puissance.

Que vient faire la puissance dans cette histoire ?

Quand on parle de mouvement, on implique la notion de transfert d'énergie : l'énergie accumulée dans un système, une ressource, est transmise à un autre système. C'est à ce moment-là qu'entre en jeu la notion de puissance.

La puissance est simplement une quantité d'énergie échangée par unité de temps.

Comme toute grandeur physique, elle a une unité : le Watt (W).

1 W = 1 J • s^-1 = 1 J/s ⇔ 1 J = 1 W • s

Les watts sont très souvent utilisés pour quantifier l'énergie de nos appareils, ils font partie de notre quotidien.
Par exemple, prenons une petite bouilloire de 700 W de puissance. Son rôle est de transformer l'énergie électrique qu'elle reçoit en énergie calorifique, donc en chaleur, afin d'augmenter la température de l'eau qu'elle contient.

Supposons que cette petite bouilloire mette 3 minutes (soit 180 secondes) à faire chauffer de l'eau. Elle va alors consommer une énergie (E) de :

E_bouilloire = 700 x 180 = 126 000 W en 180 s = 126 000 J = 126 kJ

On comprend bien que le joule est une petite unité, d'où le fait qu'on parle le plus souvent en kilojoules.

D'autant plus qu'une bouilloire de 700 W, c'est une petite bouilloire peu puissante. En règle générale, on parle en kWh (kilowatts heure) pour désigner la puissance de nos appareils.
1 kWh est l'énergie fournie par un appareil d'une puissance de 1 000 watts pendant une heure (un sèche-cheveux par exemple).

Donc une énergie de 1 kWh = 1 000 Wh = 1 000 x 3600 Ws = 3 600 000 Ws = 3 600 000 J = 3 600 kJ.

Un sèche-cheveux a généralement une puissance de 2 000 W = 2 kW dont on va mesurer l'énergie calorifique émise en kWh.
Il irradie 2 kWh d'énergie calorifique (autrement dit, de chaleur) durant son heure de fonctionnement, ce qui représente une dépense de 7 200 kJ.

En France, en 2023, un habitant consomme en moyenne 7 000 kWh par an. En comparaison, aux États-Unis, un habitant consomme 14 000 kWh d'énergie par an, en Ukraine, 3 000 kWh/an ou encore en République Démocratique du Congo, 100 kWh/an.

L'énergie ? Les énergies ?

L'énergie est au coeur des sociétés humaines depuis des décennies, des siècles et même des millénaires.
Le simple fait de ramasser une pierre pour la prendre dans sa main implique l'utilisation d'une énergie : l'énergie mécanique, humaine. Celle du corps. On parle de "travail".

S'il existe une énergie "mécanique", cela sous-entend qu'il en existe d'autres... Mais lesquelles ? Eh bien, citons-en quelques-unes :

La liste est longue ! Les citer toutes, sans précision ni distinction, ne présente aucun intérêt. Mais en détailler quelques-unes peut se révéler particulièrement utile, notamment pour mieux comprendre notre évolution, notre société, mais aussi notre impact sur notre environnement, sur la nature et, a fortiori, sur le climat.

Pour mieux appréhender le monde dans lequel nous vivons, immergeons-nous dans l'histoire des énergies. Vous êtes prêts ? Alors en avant !