Une Réaction chimique est échange d'atomes entre les composés. L'illustration représente la combustion du méthane dans le dioxygène.
(Crédit : Christophe Dang Ngoc Chan)
Agrandir l'imageL'énergie est une grandeur en 
(joules).
En science physique, l'énergie est une manière d'exprimer l'intensité des phénomènes ; c'est de fait une quantité mesurable, et qui s'exprime de manière différente selon les transformations que subit un système (réaction chimique, choc, mouvement, réaction nucléaire etc.). L'énergie se définissant de manière différente selon les phénomènes, on peut de fait définir diverses « formes d'énergie » (voir plus loin).
Par ailleurs, d'après la loi de causalité, un phénomène a une cause ; c'est la variation d'intensité du phénomène-cause qui provoque la variation de l'intensité du phénomène-effet. Si les intensités des phénomènes cause et effet sont exprimées sous la forme d'une énergie, on voit alors que l'énergie se conserve (voir ci-après).
L'unité du système international pour mesurer l'énergie est le joule.
Certaines activités utilisent d'autres unités, notamment l'électron-volt (1 eV = 1,602−19 J), le kilowatt-heure (1 kWh = 3,6 MJ), la calorie (4,18 J), la Calorie (alimentaire : 4 180 J ; notez le C capitale), et le kilogramme en physique relativiste.
La thermodynamique est la discipline qui étudie les transformations de l'énergie qui font intervenir l'énergie thermique. Le premier principe affirme que l'énergie se conserve, le second principe impose des limitations au rendement de la transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique, électrique ou autre.
Le travail est un transfert ordonné d'énergie entre un système et le milieu extérieur.
La chaleur est un transfert désordonné d'énergie entre le système et le milieu extérieur.
La chaleur est un transfert d'agitation thermique. L'agitation des particules se propage au gré des chocs dans toutes les directions, de façon désordonnée. C'est pour cette raison que l'on ne peut jamais transformer intégralement de l'énergie thermique en travail alors que l'inverse est possible (exemple : travail électrique transformé en chaleur par effet Joule dans un radiateur électrique). On dit encore que la chaleur correspond à une dégradation de l'énergie.
Ce transfert thermique, appelé chaleur, s'effectue du système le plus chaud vers le plus froid, c'est-à-dire celui dont les particules sont statistiquement les plus agitées, va transmettre son agitation thermique au gré des chocs plus ou moins énergétiques, au milieu extérieur ou au système statistiquement le moins agité, c'est-à-dire le plus froid. Cette constatation intuitive est formalisée par le second principe de la thermodynamique.
Le travail et la chaleur ne sont pas des fonctions d'état. Leur quantité, mise en jeu au cours d'une transformation, dépend de la façon dont on procède.
L'énergie « libérée » par un phénomène se disperse entre plusieurs autres phénomènes.
Ainsi, dans une flamme (réaction chimique), une partie de l'énergie dégagée devient chaleur, une autre lumière, une autre fraction est stockée dans des molécules complexes, etc.
On nomme rendement le quotient entre l'énergie ayant la forme qui nous intéresse et l'énergie dépensée pour l'obtenir.
Dans le cas d'un moteur, par exemple, ce qui nous intéresse est le mouvement mécanique produit. Le reste de l'énergie est au mieux considéré comme perdu (cas de ce qui part en chaleur dans les gaz d'échappement), au pire nuisible (cas de ce qui part en travail d'usure physique ou chimique du moteur).
Un moteur électrique idéal, qui convertirait toute l'énergie du courant électrique en mouvement mécanique, aurait un rendement de un (ou de 100 %). En réalité celui-ci est aux alentours de 80-85 % seulement pour un moteur à courant continu, et un peu moins pour ceux à courant alternatif, à cause de l'énergie dissipée en chaleur (pertes thermiques).
Le rendement réel est donc toujours inférieur à un.
Dans certain cas, il peut apparaître un « rendement » apparent supérieur à un :
L'énergie ne peut ni se créer ni se détruire mais uniquement se transformer d'une forme à une autre (principe de Mayer) ou être échangée d'un système à un autre (principe de Carnot). C'est le principe de conservation de l'énergie : l'énergie est une quantité qui se conserve.
Ce principe empirique a été validé, bien après son invention, par le théorème de Noether. La loi de la conservation de l'énergie découle de l'homogénéité du temps. Elle énonce que le mouvement ne peut être créé et ne peut être annulé : il peut seulement passer d'une forme à une autre. Afin de donner une caractéristique quantitative des formes de mouvement qualitativement différentes considérées en physique, on introduit les formes d'énergie qui leur correspondent.
La notion de conservation est relativement simple à comprendre.
Si on met dans un volume quelque chose et que l'on ferme bien la boîte, l'on s'attend à y retrouver, lorsqu'on l'ouvrira ultérieurement, ce qu'on y a mis. Ceci en physique s'appelle un principe de conservation ; la boîte est l'ensemble des phénomènes considérés. Si on ne retrouve pas tout, c'est qu'une partie a pu sortir sous une forme ou une autre ou même que ce qui manque (ou est en plus) a changé de forme et qu'on ne s'en est pas rendu compte. On a en fait « oublié de mettre un élément dans la boîte », on a négligé d'inclure un phénomène dans le système.
Ce principe est tellement fort en physique qu'à chaque fois qu'il a paru ne pas être vérifié cela a conduit à des découvertes importantes. 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. Par exemple, la radioactivité a un temps été interprétée comme la réémission de quelque chose qui était reçu de l'extérieur et l'explication est venue de l'équivalence masse énergie.
L'énergie dans un volume est donc d'office conservée, par principe, et si elle diminue dans le volume, c'est qu'une partie en est sortie… ou qu'elle s'est transformée en quelque chose qu'il nous faut identifier : chaleur, masse, rayonnement, etc. La perte d'énergie, même minime, est fréquemment due à sa transformation en énergie thermique.
On est tenté d'écrire :
L'énergie se transforme d'une forme en une autre, mais ne disparaît jamais.
La formulation exacte serait :
Lorsque l'intensité d'un phénomène varie, cela ne peut se faire que par la variation d'un autre phénomène ; la somme des énergies représentant l'intensité de ces phénomènes est une constante.
Dans les processus radioactifs, le mouvement de la particule éjectée, ou l'impulsion du photon créé, provient de la disparition de la masse ; on écrit souvent par un raccourci que « l'énergie de masse se transforme 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 réactions chimiques. De fait, on considère toujours actuellement que la masse se conserve lors d'une réaction chimique, mais l'on sait que c'est une approximation.
Un résultat majeur de la physique théorique se basant sur le formalisme lagrangien, le théorème de Noether, montre que le fait que l'énergie se conserve est équivalent à la symétrie de translation dans le temps des équations de la physique.
Cette quantité est composée d'éléments divers (énergie thermique, énergie cinétique, énergie de masse, etc.), qui s'échangent dans un jeu qui est toujours à sommes nulles. Le théorème de Noether montre que cette caractéristique est équivalente à la symétrie des équations physiques par rapport à une translation dans le temps ou l'espace.
La conservation de la masse peut être vue comme une forme de conservation de l'énergie. C'est là le sens du E = mc2 d'Einstein.
En pratique, on distingue souvent différentes « formes » d'énergie. Toutefois, il faut être conscient que l'énergie sert à mesurer l'intensité d'un phénomène, cette division n'est qu'une manière de faire correspondre l'énergie au phénomène qu'elle mesure. Par ailleurs, cette distinction n'a rien d'absolu, mais dépend uniquement de la position de l'observateur : le principe de relativité s'applique aussi à l'énergie, de sorte que le même phénomène pourra être analysé en termes d'énergie « cinétique », « électromagnétique », ou « potentielle »…
Les formes d'énergie classiquement considérées sont :
Dans la théorie de la relativité, Einstein établit l'existence de deux formes d'énergie seulement :
L'énergie fatale : c'est l'énergie inéluctablement présente ou piégée dans un processus ou un produit, qui parfois et pour partie peut être facilement récupérée et valorisée. Par exemple, la France produisait dans les années 2000 plus de 25 millions de t/an de déchets ménagers dont 40 %, suite à des retards dans la mise en place du recyclage étaient encore traités par incinération. Le pouvoir calorifique de ces déchets est une forme d'énergie fatale. Sans récupération (récupération de chaleur, méthane, hydrogène et/ou électricité, etc.), éventuellement avec co-ou tri-génération, cette énergie serait perdue dans l'environnement (dans les décharges) ou rejetée dans l'atmosphère. La combustion de déchets peut produire de la vapeur qui peut alimenter des serres, des usines ou un réseau urbain de chaleur. La méthanisation des déchets organiques peut produire de substantielles quantités de méthane, et un compost valorisable en agriculture.
L'énergie dépensée pour créer un phénomène mesure l'ampleur du phénomène final. Cette énergie est fournie par un autre phénomène, appelé « phénomène moteur ».
Certains phénomènes moteurs vont faire le travail rapidement, d'autres plus lentement ; par exemple, un manutentionnaire gringalet mettra longtemps avant de monter des parpaings un par un en haut de l'échafaudage, alors qu'un manutentionnaire musclé en portera plusieurs à la fois et sera plus rapide (en revanche, le résultat final sera exactement le même).
Cette capacité à mobiliser beaucoup d'énergie en un temps donné est appelée puissance du phénomène moteur :
La puissance est l'énergie fournie par un phénomène divisée par la durée du phénomène, P = dE/dt.
La puissance se mesure en watts (1 W = 1 J/s)
Les transferts thermiques font partie d'un domaine de la thermodynamique appelé thermodynamique irréversible, c'est-à-dire, pour simplifier, que le phénomène ne peut pas revenir en arrière.
L'énergie transférée se présente essentiellement sous forme de chaleur qui va spontanément d'une zone chaude vers une zone froide (second principe de la thermodynamique). Ce transfert de chaleur peut être accompagné d'un transfert de masse. Ce phénomène se présente sous trois formes différentes :
Chacun de ces trois modes est prépondérant dans son univers de prédilection : la conduction dans les solides, la convection dans les fluides en mouvement (liquides, gaz), le rayonnement dans le vide (où c'est le seul mode possible).
La conduction thermique est le phénomène par lequel la température d'un milieu s'homogénéise. Il correspond à la transmission de l'agitation thermique entre molécules et se produit dans un solide, un liquide ou un gaz. Exemple : la température d'un barreau chauffé à une extrémité a tendance à s'uniformiser par conduction thermique.
La convection est le transfert de chaleur provoqué par le mouvement des particules d'un fluide. Il se produit dans un fluide en mouvement. Exemple : l'air chaud, moins dense, monte, transportant la chaleur du bas vers le haut.
Le rayonnement est le transfert de chaleur par propagation d'ondes électromagnétiques ou par désintégration radioactive. Il peut se produire dans tous les milieux, vide y compris. Exemple : la Terre est chauffée par le rayonnement du soleil.
L'énergie est donc « quelque chose » qui se conserve. Cependant, cette notion de « quelque chose » est assez floue et assez bien illustrée par la boutade :
principe n°1 de la thermodynamique : l'énergie existe, la preuve, c'est qu'on la paie
Cette notion floue a laissé l'image dans de nombreux esprits d'une sorte de fluide qui passerait d'un objet à l'autre au cours des transformations, réminiscence du concept de phlogistique (un « fluide immatériel » censé véhiculer la chaleur). Cette vision, dite « substantialiste » a longtemps été sous-jacente par exemple dans les théories de la chaleur (concept de « chaleur-substance » ou calorique), jusqu'au milieu du XIXe siècle. On la retrouve d'ailleurs dans la terminologie moderne de « capacité calorifique », « chaleur latente», etc.
Faute d'un vocabulaire plus approprié, le terme « énergie » revient fréquemment dans les discours pseudo-scientifiques (avec les ondes) ou encore dans les « pratiques énergétiques » (comme le Reiki, dans lesquelles l'énergie serait une substance d'origine divine). On entend ainsi parler d'énergie « pure » (alors que l'énergie ne fait que décrire l'état de quelque chose d'autre), ou d'une « énergie encore inconnue »…
La différence entre les « énergies » du discours pseudo-scientifique se situe au niveau de la définition : en physique, l'énergie est une grandeur précisément définie, quantifiable et mesurable. Ceci implique que l'on puisse être capable de mesurer précisément l'énergie (cinétique, potentielle, etc.) ou ses variations, au moins du point de vue théorique. Ceci n'est pas le cas des pseudo-énergies telle que « l'énergie psychokinétique » ou « cosmique » qui ne sont pas vérifiables ni réfutables, leur existence ne pouvant être prouvée et donc non scientifiques.
Ainsi lorsque l'on parle « d'énergie cinétique » d'un corps, celle-ci peut être précisément définie, pour un corps considéré comme ponctuel, et en mécanique classique par la formule : 
, où 
est la masse du corps et 
sa vitesse dans le référentiel d'étude du mouvement. La quantité est donc clairement définie, avec un domaine de validité précis (ici 
et hors domaine quantique, corps ponctuel). Aucune formule (ni à travers aucun fait) ne donnera jamais l'expression, même approximative, de « l'énergie psychokinétique » dans les croyances de l'ésotérisme…
Seule la mathématisation du concept d'énergie permet d'éviter les confusions et les contradictions inhérentes à l'ancienne vision substantialiste et holistique. Ainsi l'énergie en général ne peut être définie : ce n'est autre qu'une grandeur physique, numérique, associée à une situation concrète (par exemple, le mouvement d'un corps pour l'énergie cinétique, une interaction pour une forme d'énergie potentielle, etc.). C'est par le nombre que la notion d'énergie atteint un degré d'objectivité adéquat en physique moderne.
La confusion est en partie entretenue par des simplifications de langage, où par commodité on énonce parfois que :
— ou bien —
;alors que des formulations plus précises (mais parfois plus longues) seraient :
— et —
On ne peut donc pas séparer la notion d'énergie de la forme sous laquelle elle est stockée.
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Grandeur physique
Page imprimée vendredi 17 février 2012 à partir de l'url :
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