Physique 3.1, chapitre 1

Chapitre 1 : l’énergie, aspect scientifique et notions
générales
0 Plan du chapitre
 Introduction, étymologie et historique de la notion d’énergie (sections 1 à 3)
 Définitions, conservation, classification selon les phénomènes physiques, unités et
ordres de grandeur (sections 4 à 7)
 Types d’énergie, transformations, rendement (section 8)
 Classification des énergies selon les filières (section 9)
 Stockage et transport (section 10)
1 Introduction
« Il est important de réaliser que dans la physique d’aujourd’hui nous n’avons aucune
connaissance de ce que l’énergie est. » R. Feynman Prix Nobel de physique 1965
Comment définir l’énergie ? C’est là une question tout à fait légitime à se poser avant
d’entreprendre toutes discussions sur le sujet.
D’un point de vue commun, cela s’avère un concept très difficile à décrire puisqu’il demeure
d’abord et avant tout quelque chose d’abstrait. L’énergie ne peut pas être vue, ni même
mesurée directement. Son existence n’est révélée que par sa transformation et son transfert. Sa
manifestation dans les phénomènes naturels est donc bien réelle. Pour cette raison, il serait
naïf de prétendre que l’énergie n’est qu’un outil de travail.
Selon Roger Balian, la meilleure façon de définir l’énergie, c’est d’utiliser une approche
historique. Il se trouve que, historiquement, c’est justement la recherche de la constance dans
le mouvement qui a mené à l’élaboration de ce concept.
L’approche dynamique des problèmes de la mécanique vise l’étude des causes du changement
survenu dans l’état du système étudié, un processus souvent laborieux.
Une méthode souvent plus judicieuse est la recherche d’une constante dans le problème, car
étudier le problème en focalisant sur les aspects qui ne changent pas permet d’avoir une vue
beaucoup plus fondamentale de ce qu’est la nature : « la nature est telle qu’une certaine
quantité est toujours conservée ». La recherche de la constance dans les phénomènes naturels
est une idée en soi révolutionnaire qui en a beaucoup facilité l’étude.
Il a toutefois fallu attendre le milieu du XIXème siècle pour que ces idées soient bien établies en
science. Les progrès ont notamment été freinés par un manque de vocabulaire. Aristote n’a
jamais parlé de travail au sens moderne, pas plus que Galilée ne parlait d’énergie. Le
développement d’un vocabulaire adéquat fut une étape tout aussi cruciale à l’émergence du
concept devenu, sans doute, le plus important en physique.
Le concept d'énergie est fondamental pour l'étude des phénomènes de transformation de la
matière (comme la chimie et la métallurgie) et de transmission mécanique, qui sont la base
de la révolution industrielle. Le concept physique d'énergie s'est donc logiquement affirmé au
XIXème siècle.
2 Étymologie
Le terme d’énergie remonte à l'Antiquité, mais son sens était très différent de celui
d’aujourd’hui.
Le mot français « énergie » vient du latin vulgaire energia, lui‐même issu du grec ancien
ἐνέργεια/energeia. Ce terme grec originel signifie, d'après le Petit Larousse, « force en action »,
par opposition à δύναμις/dýnamis signifiant « force en puissance ».
Aristote a utilisé ce terme dans son étude du mouvement, « au sens strict d'opération parfaite »,
pour désigner la réalité effective en opposition à la réalité possible. Précisons…
Comprendre le mouvement des choses de la nature suppose la distinction métaphysique de
l'être en puissance et de l'être en acte. Car tout changement suppose qu'une « puissance » passe
à l'« acte » (que quelque chose puisse devenir autre, se déplacer d'un lieu à un autre, etc.). Le
mouvement suppose donc, comme dans tout changement d'état, le passage du virtuel au réel,
donc de la puissance (dynamis) à l'acte (energeia).
Le mouvement en lui‐même n'est pas simplement le passage de la puissance au genre d'acte qui
en serait le parfait accomplissement et l'effectuerait donc une fois pour toutes. Tout en
s'accomplissant, il faut que le mouvement reste inachevé, s'il doit pouvoir continuer d'être en
mouvement dans son actualisation. Le mouvement est donc bien l'acte de ce qui est en
puissance. L'actualisation d'une puissance dans un mouvement implique que quelque chose en
lui demeure en puissance. L'essence du mouvement implique que quelque chose y demeure
virtuel. Cette conception fait de la physique d'Aristote un dynamisme.
On rencontre chez Aristote les deux termes : energeia (« qui est en plein travail », le terme
grec « ergon » signifiant « travail ») et entelecheia (« qui séjourne dans sa fin »).
Ces deux mots du vocabulaire aristotélicien sont souvent confondus par les traducteurs,
mais déjà parfois par Aristote lui‐même.
L'analyse du mouvement en trois temps permet cependant de les distinguer :
 la fin du mouvement s'appelle entelecheia ;
 le mouvement considéré en son déploiement est energeia ;
 quant à l'origine du mouvement, elle est en « puissance » (dunamis), c'est‐à‐dire
susceptible de passer et de s'accomplir en sa fin grâce au travail.
La fin est donc un achèvement rendu possible par le mouvement énergique accordé à la
puissance.
Cet ensemble catégorial semble structurer tout mouvement ; en fait, il ne vaut que si on le
comprend préalablement comme tendu vers une plénitude manquante, l'entelecheia ; un
mouvement indéfini ou circulaire ne peut pas être entendu à l'aide de ces catégories.
Plus généralement, dans la métaphysique d'Aristote on appelle acte (en grec energeia)
l'opération par laquelle la matière première, par elle‐même indéterminée, substance universelle
qui n'est que la puissance des contraires (dunamis), passe à l'état d'entéléchie (entelekeia), c’est‐
à‐dire de substance et d'être réel.
En appliquant à des faits d'une généralité inférieure la terminologie péripatéticienne, on
pourrait dire, pour faire comprendre cette théorie, que le bloc de marbre, avant que le statuaire
l'ait façonné, est statue en puissance, et qu'il devient statue en acte ou entéléchie, lorsqu'il a
passé par les mains de l'artiste.
Cette théorie se rattache étroitement, dans la métaphysique péripatéticienne, à celle des
quatre principes ; car si la puissance est identique au principe matériel, l'acte résulte du
concours de deux autres principes, la cause efficiente et la cause finale, qui, en s'appliquant à
la matière, la déterminent et lui donnent la forme, le 4e principe suivant Aristote.
3 Historique de la notion d'énergie
3.1 Point de départ
L’expérience humaine montre que tout travail requiert de la force et produit de la chaleur ; que
plus on « dépense » de force par quantité de temps, plus vite on fait un travail, et plus on
s’échauffe.
Après avoir exploité sa propre force et celle des animaux, l’homme a appris à exploiter les
énergies contenues dans la nature (d’abord les vents, énergie éolienne et les chutes d’eau,
énergie hydraulique) et capables de lui fournir une quantité croissante de travail mécanique
par l’emploi de machines : machines‐outils, chaudières et moteurs. L’énergie est alors fournie
par un carburant (liquide ou gazeux, énergie fossile ou non).
3.2 Mise en situation et premières expériences
C’est avec l’étude des machines simples qu’a commencé la grande épopée de l’énergie.
L’analyse d’un banal levier, par exemple, permet une constatation aussi évidente qu’étonnante :
« To raise the weight in question a given distance above the ground, it
was necessary to lower the end of the longer arm of the lever, at which the force is
applied, a greater distance »
Ainsi, dans ce premier exemple, quelque chose est gagné au détriment d’une autre chose qui est
perdue. Le « quelque chose » qui est conservé, est le produit de la force par la distance
parcourue. L’écriture moderne en terme du travail serait F1h1 = F2h2. Cette loi des leviers aurait
été formulée pour la première fois par Aristote, mais il serait prétentieux de lui en attribuer
l’exclusivité.
Rappel : loi des leviers
On peut représenter un levier par une tige mobile autour d'un axe (pivot) ou d'un appui, qui est
soumise à deux forces : la force motrice Fm et la force résistante Fr.
 « des poids qui s'équilibrent à des distances égales sont égaux »
 « des poids inégaux s'équilibreront à des distances inégales, le plus grand sera situé à la plus
petite distance ».
 Plus précisément, et dans tous les cas :
Levier inter‐appui
L'axe de rotation se situe entre les
points d'application des forces
motrices et résistantes.
Ex : paire de ciseaux, balance de
Roberval...
Levier inter‐résistant
L'axe de rotation se situe en extrémité.
La force résistante s'applique entre l'axe
et le point d'application de la force
motrice.
Ex : casse‐noix, brouette...
Levier inter‐moteur
L'axe de rotation se situe en extrémité.
La force motrice s'applique entre l'axe et
le point d'application de la force
résistante.
Ex : pince à ongles, pince à épiler...
Le levier inter‐moteur est un levier particulier, car il ne présente pas d'avantage au niveau de la
force motrice, au contraire même, cette force doit être toujours supérieure à la force
résistante. On va l'utiliser justement dans les cas où la force doit être faible, plus faible que la
pression des doigts, c'est‐à‐dire dans le cas des travaux délicats comme avec une pince à sucre
par exemple.
Un deuxième exemple ou « quelque chose » est conservé est celui d’une balle lancée
verticalement à une vitesse donnée. Galilée a montré que la vitesse à laquelle la balle revient
au lanceur après sa descente est égale à sa vitesse initiale. « Quelque chose » a donc été
donné à la balle au départ et ce « quelque chose » semble être le même à son retour.
Un troisième exemple, le pendule :
Un quatrième exemple, les montagnes russes :
Ces exemples illustrent les prémisses du concept d’énergie : « quelque chose » est conservée
dans les expériences de mécanique et ce quelque chose, c’est l’énergie.
3.3 La mécanique et la recherche de constantes
En 1687, Isaac Newton (1642‐1727) publie ses « Philosophiae
naturalis principia mathematica » dans lesquels il énonce trois lois
bien connues régissant le mouvement des objets.
Dans ces ouvrages, il formalise le concept de force, une notion
intuitive qui remontait à la nuit des temps.
Depuis l’Antiquité et jusqu’à tard au XIXème siècle, les gens
étudiaient les problèmes de mécaniques en considérant l’effet
des forces, croyant qu’elles étaient l’aspect le plus fondamental
en mécanique. Ce courant de pensée a atteint son apogée avec
les Principia de Newton.
Rapidement, toutefois, il est devenu évident que l’étude
dynamique du mouvement à l’aide des forces pouvait devenir
une tâche très laborieuse.
La force est un concept fondamental de la physique ; c’est la cause de la déformation d'un corps
ou de la modification de son état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme.
Après la mort de Galilée, l’idée de rechercher des lois de
conservation en physique est devenue de plus en plus à la mode.
Dans un contexte où les forces étaient au cœur de la physique, il est
normal que les gens aient été à la recherche de lois de conservations
basées sur les forces.
Newton lui‐même n’a jamais évoqué le concept d’énergie sous aucune forme.
Avec Newton, le concept de force a pris tellement d’importance que, jusqu’au milieu du XIXème
siècle environ, les gens ont utilisé cette notion à tort et à travers, lui attribuant tantôt le rôle
d’une puissance, tantôt celui d’une énergie, quelques fois celui d’une force à proprement parler.
En fait, même après la publication des Principia, il a fallu plus d’un siècle avant que le concept
de force soit utilisé conformément à la définition de Newton.
Plusieurs grands penseurs, dont Descartes, Bernoulli, Euler et d’autres, se sont attachés très
longtemps à l’idée que la force était une propriété d’un corps en mouvement. Un corps pouvait
posséder plus ou moins de « force », selon son état de mouvement.
Ironiquement, c’est par un désir de quantifier cette propriété supposée des corps que le
concept d’énergie a surgi.
L’une des premières tentatives, pour associer la « force » inhérente
au mouvement à une quantité qui s’exprime en terme de variables
connues remonte à René Descartes (1596 – 1650).
En effectuant des expériences de collisions, il a établi que, dans certaines circonstances, la
quantité scalaire m.v (produit de la masse et de sa vitesse) était conservée. Il énonce ainsi son
principe de conservation de la « force » et nomme la quantité m.v « quantité de mouvement. »
Quantité de mouvement = p = m.v
Ses expériences ne sont pas très poussées, et la loi qu’il en tire semble davantage basée sur
des arguments divins.
Collision à une dimension
Collision élastique de masses égales dont une au repos.
Collision élastique de masses égales dans un repère quelconque.
Collision à deux dimensions
Bien que sa formulation se soit avérée incomplète, Descartes a néanmoins mis le doigt sur
quelque chose de très profond.
Pour lui, la « force » se mesure en terme de la quantité de mouvement. Aussi, comme c’est la
force qui est responsable de la modification de l’état de mouvement, l’effet de cette force peut
être mesuré comme un changement dans la quantité de mouvement.
Il n’a pas fallu beaucoup de temps pour vérifier, après la sortie des Principia, que la
conservation de la quantité de mouvement est en fait une conséquence directe des équations
du mouvement de Newton.
Après la mort de Descartes, Gottfried Wilhelm Leibniz (1646 – 1716) a
proposé une approche différente pour évaluer la « valeur de la force ».
Pour lui, la vision de Descartes devait être fausse ; la véritable valeur
d’une force devait se mesurer par une quantité qu’il nomme vis viva
(force vive), définie comme le produit de la masse avec le carré de sa
vitesse : m.v2.
Force vive = m.v2
Il arrive à cette conclusion après avoir imaginé une expérience où deux
objets de masses différentes subissent une chute libre à partir de
hauteurs différentes.
Christian Huygens avait avant Leibniz utilisé ce concept dans un traité
qu’il a publié sur les pendules composés, Horologium Oscillatorium,
mais n’y a pas porté une attention particulière, ni même donné de
nom. Leibniz a eu l’intuition que cette quantité n’était pas qu’un
simple outil de calcul et avait un intérêt fondamental.
Un débat musclé a accompagné la controverse entre les adeptes de la vision de Descartes et
celle de Leibniz concernant la mesure de la « force ».
Jean Le Rond (1717 – 1783), aussi connu sous le nom de d’Alembert, a
contribué à résoudre ce conflit. Dans son Traité de Dynamique où il étudie le
mouvement des particules soumises à des contraintes, d’Alembert consacre
un chapitre entier sur la notion de vis viva telle qu’introduite par Leibniz.
Il tente également de briser la vieille idée que la force est une propriété d’un
corps en mouvement. Pour lui, la force est plutôt une cause externe qui
provoque le mouvement.
D’Alembert réalise que la controverse sur la valeur de la « force » n’est qu’un artifice dû à une
mauvaise façon d’exprimer les concepts, ce qui reflète déjà d’importantes lacunes dans les
définitions.
Il explique que l’idée de Descartes consiste à mesurer l’efficacité d’une force par son effet dans
le temps, c’est‐à‐dire par un changement dans la quantité de mouvement (m.v). À l’opposé,
l’idée de Leibniz est de mesurer l’efficacité d’une force par son effet dans l’espace, par un
changement de vis viva (m.v2).
D’Alembert publie aussi ce qu’il désigne comme le principe de la conservation de la force vive
dans les collisions élastiques, mais ne le démontre pas. Il remarque également qu’une « force
accélérante » modifie la vis viva. De façon générale, ses travaux ne sont pas très bien reçus
pour la principale raison qu’ils ne sont pas très limpides. L’idée de conservation de la vis viva
sera reprise notamment par Daniel Bernoulli et Leonard Euler, qui auront un peu plus de
succès à la faire accepter.
L’introduction du mot énergie pour designer la vis viva est due à
Thomas Young (1773 – 1829), populaire pour ses expériences
d’interférence.
Dans une lecture qu’il présente à la Royal Institution of Great
Britain, il énonce le principe de conservation de la quantité de
mouvement de même qu’un principe de conservation de la vis
viva dans les collisions élastiques.
Dans la version écrite de cette même lecture, il utilise le mot
energy pour désigner la vis viva.
“The term energy may be applied, with great propriety, to the product of mass or
weight of a body, into the square of the number expressing its velocity. Thus, if the
weight of one ounce moves with a velocity of a foot in a second, we call its energy 1; if a
second body of two ounces has a velocity of three feet in a second, its energy will be
twice the square of three, or 18.”
Young définit donc l’énergie associée à la vis viva par :
3.4 Les théories de la chaleur
Il est pertinent, à ce stade, de se tourner vers le concept de chaleur, dont l’évolution demeure
une étape cruciale du développement du concept d’énergie. L’idée de la chaleur est liée à aux
notions de chaud et de froid, présentes dès l’Antiquité, chez Aristote.
Afin de quantifier ces deux qualités, Galilée aurait mis au point
le premier thermomètre primitif. Il semble en effet qu’il ait été
au courant des quelques principes physiques nécessaires à la
conception d’un tel instrument.
Ces principes ont été résumés par Joseph Black (1728 – 1799)
chimiste et physicien écossais, découvreur du dioxyde de carbone,
lors d’une conférence qu’il a présentée vers la fin du XVIIIème
siècle.
Les concepts de température et de chaleur furent toutefois,
pendant un certain temps, utilisés avec confusion.
Black lui‐même reconnaît ce fait vers la fin de sa vie et insiste
alors sur le fait qu’il ne faut pas confondre la chaleur (une
quantité) et son intensité — associée à la température.
Les déclarations de Black concernant une expérience particulière où des corps de « chaleurs »
(températures) différentes atteignent l’équilibre révèlent implicitement qu’il comprend le
phénomène comme un écoulement de chaleur des corps chauds vers les corps froids, un
comportement typique aux substances.
Cette vision de la « chaleur substance » est alors assez répandue mais n’est par contre pas
exclusive. Dans ses Lectures on the Elements of Chemistry, parues en 1766 – 1767, Black résume
les différentes théories de la chaleur valorisées par ses contemporains et prédécesseurs.
Essentiellement, le débat est limité à l’opposition de deux grandes visions : une théorie
matérialiste et une théorie cinétique. Il n’émet pas lui‐même de nouvelle idée mais sa
conclusion sur cette synthèse le convainc que la chaleur ne peut pas être autre chose qu’une
substance.
Les partisans de la « chaleur substance » (théorie matérialiste) sont
très nombreux jusqu’au début du XIXème siècle. L’une des premières
théories clairement formulée pour tenter d’expliquer la nature de
cette substance fut proposée par Pierre Gassendi (1592 – 1655).
Influencé par le courant atomiste issus de l’Antiquité, Gassendi
argumente que plusieurs faits observationnels sont expliqués en
considérant la chaleur comme étant faite d’atomes très petits, de
forme sphérique et animés d’un mouvement très rapide. Les idées de
Gassendi ont été reprises par d’autres penseurs après lui.
Dans son traité, Black retient en particulier les idées originales d’un certain Dr. Cleghorn, dont
les détails de l’existence sont difficiles à retracer. Ce dernier décrit deux autres propriétés de
ces particules de chaleur. Elles auraient à la fois une très grande attraction pour les atomes de
matière ordinaire et une très forte répulsion entre elles. Cela suffit pour expliquer plusieurs
phénomènes, dont l’expansion thermique d’un gaz et les flux de chaleur.
Malgré son penchant pour une théorie aujourd’hui désuète, une contribution importante à la
compréhension de la notion de chaleur pourrait être attribuée à Black. Il explique en effet
dans ses Lectures que la chaleur est une propriété positive d’un corps, c’est‐à‐dire quelque
chose qui le caractérise et qui n’est pas là naturellement. Pour lui, le froid est simplement une
absence de chaleur.
Black est au courant des idées qui déjà surgissent concernant la chaleur vue comme un
mouvement de la matière (théorie cinétique). En particulier, il mentionne dans ses Lectures les
résultats d’un certain Lord Verulam.
Suite à des expériences de frottement et de collisions, ce dernier aurait conclu que la chaleur
peut être produite par des effets mécaniques et ne peut donc pas être autre chose qu’un
mouvement mécanique des particules élémentaires constituant le corps chauffé. Black rejette
cette idée. Ironiquement, une observation qu’il a lui‐même notée dans ses Lectures aurait pu
le mettre sur la piste de la théorie cinétique :
[Heat] penetrates all kind of matter without exception : density and compactness are
no obstacle to its progress : it appears to pass even faster into dense bodies, in most
cases, than in rare ones
Le développement de la calorimétrie au XVIIIème siècle par les chimistes favorise l’essor de la
théorie de la « chaleur substance ». Antoine Laurent Lavoisier (1743 – 1794) prend
manifestement cette idée pour acquise tellement elle est pratique pour décrire plusieurs
phénomènes, en particulier les transferts de chaleur. Il n’y ajoute aucune contribution
personnelle, sinon qu’il suggère dans son Traité élémentaire de chimie (1789) le nom évocateur
de « calorique » pour désigner ce fluide impondérable qu’est la chaleur.
La théorie est très populaire, tellement que Lazare Nicolas Marguerite Carnot (1753 – 1823) se
base sur ces principes pour formuler ce qui aujourd’hui est connu comme le deuxième principe
de la thermodynamique. La théorie semble atteindre son apogée à l’époque de Joseph Fourier
(1768 – 1830), après qu’il ait publié ce qui est maintenant appelée la loi de Fourier. Sa théorie
explique les flux de chaleur basés sur l’hypothèse que le calorique est conservé.
La théorie du calorique, bien qu’ayant dominé la pensé pendant plus d’un siècle, a rencontré
plusieurs oppositions. À peu près à la même époque que Gassendi, Francis Bacon (1561 –
1626) propose une théorie selon laquelle la chaleur est associée au mouvement. Ses idées sont
mal reçues car elles sont mal exprimées.
Elles sont reprises et expliquées un peu plus tard beaucoup plus clairement par Robert Boyle
(1627 – 1691), qui était au courant des travaux de Verulam. Boyle ne fait pas qu’argumenter en
faveur de ses convictions. Il aurait fourni des preuves expérimentales sur la nature cinétique de
la chaleur. Dans son traité Of Mechanical Origin of Heat and Cold, il discute d’une dizaine
d’expériences qui le convainquent de cette idée. Boyle était très avant‐gardiste dans sa
conception de la chaleur. Il explique que celle‐ci est le résultat d’un mouvement des
constituants des matériaux et que ce mouvement devient plus important à mesure que la
chaleur s’amplifie. Il va plus loin en qualifiant ce mouvement de « confus » ; un mouvement
ordonné (celui d’un objet qui se déplace dans son entier) n’est pas associé à la chaleur.
Le coup de grâce au calorique fut porté par le physicien américain
Benjamin Thompson (1753 – 1814), mieux connu en tant que
Comte Rumford et qui avait pourtant épousé en 1804 la veuve de
Lavoisier, défenseur du calorique !
Il s’inspire du raisonnement suivant. Les hommes allument depuis
toujours le feu par frottement du bois, ce qui implique forcément
que de la chaleur est créée. Or, dans la vision de l’époque, une des
propriétés définissant une substance est qu’elle ne peut être ni
créée, ni détruite, en parfaite contradiction avec l’expérience.
Bien sûr, les défenseurs de la théorie du calorique avaient les reins
solides. Ils argumentent que ce frottement pouvait influencer la
capacité calorifique du bois. Après tout, ce qui était réellement
observé n’était pas directement une augmentation de la chaleur,
mais bien de la température.
En 1798, Benjamin Thompson surveille le forage de tubes à canon en cuivre à l'arsenal de
Munich. Il est bien connu à l'époque que cette opération échauffe fortement les pièces. Ceci
est interprété tout naturellement comme la libération d'un fluide contenu dans la matière, le
calorique, lorsque la mèche rogne le métal.
Un jour, Thompson constate que, lorsqu'on utilise une mèche mal affutée, l'échauffement est
beaucoup plus important alors que la pénétration de l'outil est insignifiante. Il est ainsi frappé
par le caractère inépuisable de cette source de chaleur qui ne peut donc provenir de la matière
elle‐même mais du travail mécanique fourni. Il note :
« Je suis persuadé que l'habitude de bien observer ce qui se passe dans le cours
ordinaire de la vie a plus souvent conduit, comme par hasard ou par le vagabondage
folâtre de l'imagination mise en action par la contemplation des phénomènes les plus
communs, à des doutes utiles et à des projets sensés d'investigation et de
perfectionnement que les méditations les plus profondes des philosophes dans les
heures expressément consacrées à l'étude... D'où vient la chaleur produite par
l'opération mécanique du forage des canons ? Est‐elle fournie par les copeaux qui
sont séparés par la tarière de la masse solide du métal ?... En réfléchissant sur ce
sujet, nous ne devons pas oublier de prendre en considération cette circonstance
hautement remarquable que la source de chaleur produite, dans ces expériences, par
le frottement paraissait manifestement inépuisable. Il est à peine nécessaire
d'ajouter que ce qu'un corps isolé quelconque, ou un système de corps, peut continuer
à fournir sans limitation, ne peut pas être une substance matérielle... »
Expérience de Rumford. (Fig.1) Un solide
fût de canon (Fig.2) fut transformé en
cylindre court et large à son extrémité
(Fig.3) puis enfermé dans un caisson de
bois représenté dans la Fig.4. Un foret
(Fig.5 et 6) fut enfoncé de force dans le
cylindre et le cylindre mis en rotation par
un attelage de chevaux (non illustrés). Le
caisson était rempli d'eau qui fut assez
rapidement portée à ébullition.
Rumford imagine alors une expérience pour vérifier ce qu’il en est vraiment. Il prend deux
pièces de bois identiques. Il chauffe l’une de ces deux pièces par frottement et l’autre par
contact avec un radiateur. Il s’affaire ensuite à mesurer les nouvelles capacités calorifiques (s’il
y a lieu) de ces deux morceaux de bois — une procédure facile à réaliser. Il n’observe aucune
différence dans les capacités calorifiques et sa conclusion est sans appel : la source de chaleur
produite, dans ces expériences, par le frottement paraissait manifestement inépuisable. [...] Ce
qu’un corps isolé quelconque, ou un système de corps, peut continuer à fournir sans
limitation, ne peut pas être une substance matérielle.
Pour lui, rien d’autre qu’un mouvement ne peut se communiquer sans limite de la façon qu’il l’a
observé. Sa démonstration n’a malheureusement pas fait boule de neige.
Il a fallu attendre les travaux de Joule pour trancher définitivement la question.
L’établissement d’une équivalence entre la chaleur et le travail mécanique a en effet mené à
une formulation bien articulée d’une théorie mécanique de la chaleur.
Julius Robert von Mayer (1814 – 1878) fut le premier à proposer
une valeur pour l’équivalence entre la chaleur et le travail
mécanique.
Les détails de ses démarches demeurent néanmoins plutôt sombres. Il semble qu’il aurait
obtenu ce résultat à partir d’une étude comparative sur les gaz.
Beaucoup de ses travaux sont par contre davantage orientés du côté de la médecine, un
domaine qu’il affectionne particulièrement. Mayer remarque toutefois que la chaleur affecte de
façon évidente plusieurs phénomènes biologiques, et cette constatation l’amène à croire que la
chaleur pourrait être liée à quelque chose de fondamental dans la nature.
Ses travaux n’ont pas reçu l’attention des gens que ça aurait pu intéresser car le titre de l’essai
dans lequel il les a exposés était Die organische Bewegung in ihrem Zusammenhang nit dem
Stoffwechsel (« The Motion of Organisms and Their Relation to Metabolism »).
James Prescott Joule (1818 – 1889) fut essentiellement autodidacte
et sa situation familiale lui a permis de se consacrer à temps plein à
ses activités de recherche dès l’âge de 19 ans. En étudiant le
fonctionnement des moteurs électriques, il découvre la loi sur la
production de chaleur dans les résistances, loi qui porte aujourd’hui
son nom.
Cette expérience (et d’autres) lui fait douter du bien fondé de la théorie du calorique. Il se
convainc alors rapidement qu’il doit exister un équivalent mécanique à la chaleur. Il semble qu’il
n’ait pas été au courant des travaux de Mayer, aussi entreprend‐t‐il des expériences
indépendamment pour découvrir cette relation.
En utilisant une palme rotative immergée dans l’eau et
entraînée par une masse en chute libre, il provoque une
augmentation de la température du liquide, qu’il mesure avec
une très grande précision. Il établit ainsi, en unités modernes,
la relation suivante entre le travail dépensé et la chaleur
produite : 4,2 Joules par calorie. Joule jouissait d’une
réputation d’expérimentateur hors pair, aussi la relation qu’il
publie fut‐elle la première considérée comme crédible.
Dispositif de Joule pour déterminer l'équivalence
mécanique de la chaleur. En tombant, les poids font
tourner les palettes, ce qui accroît la température
de l'eau. L'énergie potentielle gravitationnelle est
transformée en énergie cinétique des palettes puis
de l'eau. Cette énergie cinétique finit par être
transformée en énergie thermique dans l'enceinte
isolée.
Des palettes baignant dans un calorimètre adiabatique rempli d’eau sont mises en rotation par
la chute de deux masses de 4 livres (1,8144 kg) chacune, d’une hauteur de 12 yards (10,97 m), à
une vitesse d’un pied (0,305 m) par seconde. L’opération est répétée 16 fois pour obtenir une
élévation de température mesurable et reproductible. La température est mesurée au 100ème
de degré Fahrenheit près. Son unité de travail mécanique : la livre pied = 1livre x 1 pied = 0,453
kg x 0,305 m = 0,138 kg.m 1,35 J
Le dispositif expérimental illustré ci‐dessous, analogue à celui de Joule, permet également de
trouver l'équivalent thermique (= chaleur) d'un travail mécanique (= déplacement d'une masse).
Une masse de 1 kg tombe sous l'effet de la
pesanteur terrestre et entraîne un câble qui
fait tourner un rotor solidaire de pales
tournant dans un calorimètre (= cuve
parfaitement isolée thermiquement) rempli
d'eau. Sous l'effet du mouvement des pales, la
température de la masse d'eau augmente
(collision des molécules). Cela correspond à
un apport de chaleur en J/kg d'eau.
Joule observa qu'une masse m de1 kg doit tomber d'une
hauteur h de 426,8 m pour produire une quantité de
chaleur W de 4187 Joules, soit la quantité de chaleur
nécessaire pour augmenter de 1°C la masse de 1 kg d'eau.
Cette masse m exerce une force f du fait de l'accélération
de la pesanteur a.
Travail mécanique W = force .distance (W = f . d)
et force = masse.accélération (f = m . a)
donc travail = masse . accélération .distance (W = m . a . d) c’est‐à‐dire W = m . g . h = 1 kg .
9.81 m/s2 .426,8 m = 4187 kg.m2/s2 = 4187 J.
Ainsi l'on sait que la chaleur nécessaire pour augmenter de 1°C la température d'une masse de
1 kg d'eau liquide égale un travail de 4187 J.
William Thomson (Lord Kelvin) a reconnu avant tout le monde
l’importance des travaux de Joule et a contribué à les faire
connaître.
Il faut noter que les bases expérimentales qui ont mené à ce progrès significatif dans la
clarification du concept d'énergie est le fait d'« amateurs » : Rumford est un aventurier
américain, ministre de la guerre en Bavière, Mayer est médecin et Joule est brasseur. Aucun
n'est physicien.
3.5 chaînon manquant : l’énergie potentielle
La reconnaissance de la chaleur comme une forme d’énergie est une révolution extraordinaire
qui a permit d’étendre le domaine de validité de la loi de conservation de la vis viva. Malgré
cela, il demeurait de trop nombreuses situations où la perte de vis viva (par frottement ou
autre processus) ne pouvait être expliquée par un simple gain de chaleur du milieu. Deux choix
s’imposaient alors :
soit la conservation de la vis viva — de l’énergie — est une idée absurde, pas vraiment
fondamentale,
soit une contribution importante à l’énergie restait à découvrir.
Une de ces situations est celle, pourtant banale, d’une balle
lancée verticalement. Dans l’expérience de Galilée décrite
précédemment, si le frottement de l’air est négligé, la vis
viva est rigoureusement conservée, en autant que seul les
instants initial et final ne sont considérés. À n’importe quel
autre moment de la trajectoire, il est évident que la vitesse
(et donc la vis viva) diminue jusqu’à s’annuler. Puis,
spontanément, la balle regagne de la vitesse pour retrouver
toute la vis viva qu’elle avait initialement.
Pour que le principe de conservation proposé soit valable, il faut bien sûr qu’il soit vérifié pour
tous les points de la trajectoire. Il faudrait admettre, sinon de renverser la théorie, que la vis viva
est « emmagasinée » dans une sorte réservoir pour ensuite être « relâchée ». C’est là l’essence
même de la notion d’énergie potentielle. Le développement de ce concept est principalement dû
aux réalisations de la physique‐mathématique.
Le concept d’énergie potentielle (sans être nommé de la sorte) fut probablement utilisé pour la
première fois au XVIIIèmesiècle par Daniel Bernoulli (1700 – 1782). Dans une lettre à Leonard
Euler (1707 – 1783), il discute du mouvement d’un élastique tendu et distingue la vis viva de
l’élastique quand il est en mouvement de la vis potentialis quand il est étiré mais au repos.
Carnot aurait repris ce concept par la suite dans son étude des machines. Ce dernier explique
qu’un objet immobile à une certaine hauteur possède de la vis viva « latente » ou « virtuelle »
qui peut devenir réelle à mesure qu’il tombe.
Une contribution des plus importantes au développement de ce
concept est due à Louis de Lagrange (1736 – 1813).
Lagrange voit quelque chose de très fondamental derrière le principe de conservation de la vis
viva. Il réussit à montrer de façon très explicite que l’ajout à la vis viva d’une fonction qui
dépend de la position permet, dans certains cas, d’obtenir une quantité rigoureusement
constante dans le temps. Dans son traité Mécanique Analytique, publié pour la première fois
en 1788, Lagrange développe une approche révolutionnaire basée sur les coordonnées
généralisées pour étudier les problèmes de mécanique d’un point de vu purement
mathématique. Il introduit une fonction qu’il note V, définie comme le négatif du travail
(exprimé sous forme d’intégrale) fait par une force centrale. Il explique ensuite que le
comportement d’un système peut être décrit par une certaine fonction L = T‐V, exprimée en
terme de ses coordonnées généralisées. Dans son expression, T représente la moitié de la vis
viva telle que définie par Leibniz.
Lagrange ne donne pas de nom particulier aux fonctions qu’il utilise. La fonction L ainsi
introduite constitue aujourd’hui le lagrangien du système.
Le mathématicien anglais George Green (1793 – 1841) était au courant
des travaux de Lagrange. En 1828, dans un essai qu’il publie à ses frais,
il affirme que la fonction V a une « grande importance » puisque le
négatif de son gradient représente l’intensité d’une force
(gravitationnelle, électrique ou magnétique). Pour des raisons
inconnues, il la baptise « fonction potentielle ». Il faudra par contre
attendre encore quelques décennies avant que cette fonction ne soit
considérée comme autre chose qu’un « outil mathématique pratique ».
L’une des premières tentatives de formulation du principe (généralisé)
de conservation de l’énergie fut effectuée par Hermann von Helmholtz
(1821 – 1894).
Bien que le mot energy ait déjà été introduit par Young, il ne l’utilise
pas car son sens est encore nébuleux ; il parle plutôt de « puissance
naturelle » ou de « force. » Il reconnaît néanmoins l’ambiguïté
présente dans l’utilisation du mot force. Il considère, comme certains
de ses prédécesseurs, qu’une loi de conservation fondamentale doit
exister dans la nature.
Dans son mémoire Über die Erhaltung der Kraft publié en 1847, il
discute de la conservation de la « force » dans le problème à force
centrale (au sens newtonien).
Il explique que la variation de la vis viva peut se mesurer en termes d’une « force de tension »,
définit comme le produit de l’intensité de la force centrale par la distance de la source. Il
démontre enfin que la somme de la vis viva, de la « force de tension » et de la chaleur produite
(s’il y a lieu) est une quantité conservée au cours du temps.
William Rowan Hamilton (1805 – 1865) connaissait les travaux de
Lagrange. Il voyait le grand potentiel présent dans la formulation de ce
dernier mais a préféré adopté une formulation différente, qui pouvait être
utilisée plus facilement dans un plus grand nombre de situations.
Il introduit une quantité U (égale au négatif de la fonction V de Lagrange) qu’il nomme «
fonction force ». Il définit alors une quantité qu’il note H = T ‐ U (le même T que dans les
équations de Lagrange) à partir de laquelle l’équation du mouvement peut être dérivée en terme
des coordonnées généralisées de Lagrange et des quantités de mouvement du système. La
fonction U est un peu plus tard associée à une « fonction de travail ».
La fonction H introduite par Hamilton — le hamiltonien — joue aujourd’hui un rôle absolument
fondamental en mécanique. Notamment, sa simple formulation contient toute l’information
menant à la conservation de l’énergie.
La mathématicienne Emmy Noether (1882 – 1935) a formulé un théorème
(qui porte aujourd’hui son nom) duquel découlent plusieurs lois de
conservation. En particulier, l’énergie doit être conservée dans tous les cas
où la formulation du hamiltonien est invariante sous translation dans le
temps.
Dans la deuxième moitié du XIXème siècle, tous les morceaux étaient finalement en place pour
énoncer de façon formelle la nature du concept d’énergie. Mais comme il fut mentionné à
quelques reprises, c’est au niveau du vocabulaire que les manques restaient à combler. Le mot
energy introduit par Young avait été proposé pour décrire exclusivement l’énergie associée au
mouvement (la vis viva de Leibniz).
La synthèse du vocabulaire, incluant la levée des confusions liées à
l’utilisation du mot force, est due à William John Macquorn
Rankine (1820 – 1872) et William Thomson, plus tard Lord Kelvin
(1824 – 1907). Pour Rankine, la notion de force devait être limitée
à « ce qui génère ou tend à générer un mouvement ».
Cette définition a mis fin aux ambiguïtés concernant ce concept.
En 1855, Rankine publie aussi une définition formelle très générale
de l’énergie, qui a eu l’avantage d’englober des formes d’énergie
qui étaient alors inconnues par son auteur :
The term ’energy’ comprehends every state of a substance which constitutes
the capacity for performing work. Quantities of energy are measured by the
quantities of work which they constitute the means of performing.
En 1852, Thomson (Lord Kelvin) distingue l’énergie « statique » et
l’énergie « dynamique ».
Cette distinction est reprise par Rankine un an plus tard, qui préfère les
expressions « potentielle » et « actuelle » respectivement.
Il est plus que probable que Rankine se soit inspiré des travaux d’Euler et
de Green dans son choix du mot potentiel pour décrire « l’énergie
latente ».
L’expression énergie potentielle pour désigner la fonction V de Lagrange ou encore la « force
de tension » de Helmholtz n’a donc été introduite qu’en 1853.
En 1867, un traité coécrit par Thomson et Tait introduit le terme cinétique pour décrire «
l’énergie actuelle ». Ils associent alors l’énergie cinétique à la moitié de la vis viva telle que
définie par Leibniz. La raison de ce choix est que la quantité :
1 2
mv
2
représente la capacité d’un corps en mouvement à effectuer un travail, un fait qui avait déjà
été identifié par Lagrange.
Il n’est cependant pas surprenant que le concept d’énergie potentielle, malgré les définitions
claires offertes par Rankine, ait mis un certain temps à s’installer.
John Herschel (1792 – 1871) a d’ailleurs formulé une critique qui est passée à l’histoire. Pour
lui, le principe de conservation de l’énergie formulée par Helmholtz n’est qu’une mauvaise
façon d’exprimer la véritable loi physique, qu’il croit être la conservation de la vis viva. Il ne
croit pas à la réalité de l’énergie potentielle ; d’après lui (si elle existe), elle n’appartient pas au
système. Son argument ne peut bien sûr pas être invalidé trivialement. Rankine explique
toutefois que l’énergie potentielle est cohérente avec sa définition générale de l’énergie. De
plus, Maxwell fait remarquer que si l’énergie potentielle n’en était pas vraiment une, alors le
principe de conservation de l’énergie (qui est alors établi) s’effondre complètement.
L’expression de la conservation de l’énergie exprimée par Helmholtz et ses successeurs s’est
avérée tellement fondamentale qu’elle a amené l’énergie au premier plan dans l’étude des
problèmes de mécaniques. Même les forces, mécanisme premier au temps de Newton, se sont
révélées n’être qu’une propriété dérivée d’un champ d’énergie potentielle.
La formulation du premier principe de la thermodynamique est à la fois une reconnaissance de
l’existence même de l’énergie et de sa conservation.
La conservation de l’énergie était d’ailleurs tellement bien établie à la fin du XIXème siècle que
les situations où, apparemment, elle n’était pas respectée, ont permis de mettre en évidence
de nouvelles formes d’énergie. Ce fut le cas, par exemple, de la radioactivité.
3.6 Les grandes révolutions de la physique au XXème siècle
Le début du XXème siècle connaît encore quelques révolutions importantes en matière de
conception de l'énergie.
Max Planck fait un premier pas vers la théorie de la quantification. En décembre 1900, il établit
qu'une substance ne peut émettre de la lumière qu'à certaines énergies. Ceci implique que
certains processus physiques ne sont pas continus et ne peuvent produire que des quantités
spécifiques d'énergie qu'il baptise le quantum d'énergie.
Peu de temps après, en 1902, Philipp von Lenard établit que l'effet photoélectrique (émission
d'électrons par une cathode métallique exposée à un flux de lumière.) présente un seuil par
rapport à la longueur d'onde, mais non pas par rapport à l'intensité de la lumière.
Le 17 mars 1905, Albert Einstein fournit l'explication de l'effet photoélectrique : la lumière est de
nature corpusculaire, c'est‐à‐dire qu'elle est constituée de photons, grains élémentaires
d'énergie lumineuse, caractérisés par leur longueur d'onde () ou leur fréquence (). Ces deux
grandeurs sont reliées entre elles par la vitesse de la lumière (c = ).
Dans les mois qui suivent, Einstein publie encore 2 articles sur sa théorie de la relativité par
laquelle il établit son équation, devenue célèbre,
E = mc2
Cette équation établit l'équivalence selon laquelle la matière se transforme en énergie et vice‐
versa.
Ces transformations de matière en énergie trouvent notamment leur application dans la
production d'énergie nucléaire par fission ou fusion de noyaux. Ces processus sont à l‘œuvre
depuis l'origine de l'univers dans les étoiles.
Notre principale source d'énergie, le soleil, consomme son hydrogène, le fusionne en hélium et
libère ainsi des quantités énormes d'énergie aux dépens des faibles pertes de masses
occasionnées par cette fusion nucléaire.
Pour mesurer l'importance et la complexité de l'introduction de cette
physique nouvelle et des quanta, écoutons un des acteurs de cette
révolution, Louis De Broglie :
Parmi ceux qui jetteront les yeux sur la couverture de ce petit livre, beaucoup seront
intimidés par la vue de ces mots mystérieux : les quanta. Le grand public a, en effet,
quelques idées vagues ‐oh ! souvent très vagues‐ sur la théorie de la relativité dont il
a été beaucoup question, il y a quelques années. Mais ledit grand public a, je crois,
peu d'idées ‐même vagues‐ sur la théorie des quanta. Il faut bien le dire, il est assez
excusable, car les quanta sont chose bien mystérieuse. Pour ma part, j'avais quelque
vingt ans quand j'ai commencé à m'occuper d'eux et cela fait un quart de siècle que je
médite à leur sujet : eh ! bien, je dois l'avouer humblement, si je suis parvenu au cours
de ces méditations à comprendre un peu mieux quelques‐uns de leurs aspects, je ne
sais vraiment pas encore au juste ce qui se cache derrière le masque dont se couvre
leur visage. Néanmoins, une chose me paraît pouvoir être affirmée : malgré
l'importance et l'étendue des progrès accomplis par la physique dans les derniers
siècles, tant que les physiciens ont ignoré l'existence des quanta, ils ne pouvaient rien
comprendre à la nature intime et profonde des phénomènes physiques car, sans
quanta, il n'y aurait ni lumière, ni matière et, s'il est permis de paraphraser un texte
évangélique, on peut dire que rien de ce qui a été fait n'a été fait sans eux.
4 Définitions : travail, puissance et énergie
4.1 Notion générale de travail
Le travail est un transfert ordonné d'énergie entre un système et le milieu extérieur. Un objet
fournit un travail (et perd ainsi de l’énergie) lorsqu’il exerce une force le long d’un déplacement.
Considérons par exemple un ensemble cylindre, piston, lequel est à la base de l’obtention de
travail mécanique par action de la chaleur.
À l’échelle microscopique les chocs des particules de gaz sur le piston définissent la pression
exercée sur celui‐ci à l’échelle macroscopique. Chaque choc contribue au déplacement, concerté
avec les autres chocs, du piston dans la même direction. Il y a addition des forces induites par
chaque choc et c’est pourquoi le transfert d’énergie est considéré comme ordonné.
Principe de fonctionnement d’un moteur. Lorsque l’on fournit de la chaleur à un fluide dans un
réservoir fermé, celui‐ci augmente les forces qu’il exerce sur les parois du réservoir. En laissant le
réservoir se déformer, on fait effectuer un travail au fluide
En mécanique, le travail correspond à un transfert d'énergie réalisé en exerçant une force dont
le point d'action se déplace.
Le travail fourni à une pompe qui comprime un gaz accroît l'énergie élastique de celui‐ci et
contribue à l'échauffer.
Si l’on considère maintenant le travail électrique. Il est dû au déplacement des électrons dans un
conducteur sous l’influence d’un champ électrique. Ici encore l’ensemble des électrons se
déplace dans la même direction et les effets s’additionnent au niveau macroscopique.
En soulevant un poids, par exemple en
remontant de l'eau depuis la base
jusqu'au sommet d'un barrage, on lui
fournit un travail, qui lui permet
d'acquérir une énergie potentielle
plus élevée.
4.2 Notion de travail d’une force
En mécanique, on parle de travail lorsqu’on applique une force sur un objet pour le déplacer.
Une force ne travaille que si son point d’application se déplace.
Le joule (J) est le travail d’une force d’un newton dont le point d’application se déplace de 1 m
selon la direction de la force.
Pour une force variable, on étend la définition comme suit :
dl étant mesuré à partir de la longueur de l’objet qui travaille, dl sera négatif lorsque W est
positif (l’objet recevant alors du travail, en voyant sa longueur diminuer).
Sur un diagramme force‐distance, le travail
fourni par un objet peut être visualisé avec
l’aire sous la courbe. Dans le cas montré ici,
l’objet voit sa longueur l augmenter, et le
travail sera négatif (fourni par l’objet).
4.3 La puissance
4.4 L’énergie
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 lui permettent de
provoquer le déplacement du vélo. L'intensité de ce déplacement (c'est‐à‐dire la vitesse)
dépend de l'intensité des réactions chimiques des muscles du cycliste, qui peuvent être
quantifiées (la quantité de sucre « brûlée » par la respiration, le métabolisme du muscle).
Prenons un autre exemple. Un moteur à explosion fonctionne grâce à une réaction chimique : la
combustion qui a lieu à l'intérieur d'un cylindre. La réaction du combustible (l'essence) avec le
comburant (l'oxygène de l'air) produit du gaz avec émission de chaleur et de lumière, ce qui se
traduit par une augmentation de la température et de la pression dans le cylindre ; la différence
de pression entre ce gaz et l'atmosphère de l'autre côté du piston déplace ce dernier, qui va, à
travers une transmission mécanique, faire tourner les roues ainsi qu'un alternateur qui va
produire de l'électricité. Au passage, il y aura des frottements mécaniques qui produiront un
échauffement et une usure.
On a donc un réarrangement des molécules (rupture et recréation de liaisons chimiques) qui
provoque une augmentation de la quantité de mouvement des molécules (ce qui se traduit par
une augmentation de la température du gaz et donc une augmentation de sa pression). Ce
dernier provoque le mouvement d'un solide (le piston), qui va entraîner un système de
transmission, et pouvoir ainsi d'une part faire tourner un axe, qui peut être par exemple relié
aux roues d'une voiture ou bien à un alternateur. L'entraînement de la pièce mobile de cet
alternateur va faire tourner un aimant qui, par induction au sein d'une bobine, va provoquer
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 et la quantité d'électricité produite par l'alternateur) en
fonction de l'intensité du phénomène initial (la quantité de gaz et la chaleur produite par la
réaction chimique de combustion).
L'énergie est une grandeur caractérisant un système et exprimant sa capacité à modifier
l’état d’autres systèmes avec les quels il entre en interaction.
Elle mesure donc la capacité d'un système à modifier l’état d’un autre système, à produire sur
lui un travail mécanique, à y entraîner l’apparition d’un mouvement, d’un rayonnement
électromagnétique ou de la chaleur.
C'est une grandeur physique qui caractérise l'état d'un système et qui est d'une manière
globale conservée au cours des conversions.
Cette définition repose sur les résultats d’une série d'expériences, menées au cours du
XIXème siècle et mettant en évidence les constats suivants ou lois :
On constate que la chute d'un poids donné d'une même hauteur produit toujours le même
échauffement (calorimétrie) ;
On constate aussi que si la vitesse finale n'est pas nulle, la hausse de température est
moindre, comme si seulement une partie de la chute était convertie en vitesse et le reste en
chaleur ;
De même un échauffement pourra produire une dilatation, une augmentation de pression, qui
elle‐même permettra de « produire un travail » par exemple en déplaçant une masse ;
Le total est toujours conservé.
Un exemple…
L’énergie a la forme d’une énergie potentielle
(résidant dans la hauteur de cette masse de
sacs soumis à la pesanteur).
Elle peut se transformer en énergie cinétique
(résidant dans la vitesse de chute de la
masse des sacs).
Elle peut enfin se transformer en chaleur ou
énergie
thermique
(résidant
dans
l’échauffement de la masse du sac, due au
frottement à l’arrivée).
La suite du cours nous montrera de plus en plus clairement que la quantité d’énergie reste
constamment la même au cours du temps, malgré ses transformations. Ici, elle reste égale à
F∙d∙n.
Elle ne s’anéantit jamais, même si elle se répand dans le cosmos. C’est la loi, ou plutôt le «
postulat » de la conservation de l’énergie. Mais il y a une « dégradation » progressive ou
brutale vers la chaleur.
En fait c’est très simple : cette définition ne dit rien d’autre que le fait que dès que le monde
qui nous entoure (= « un système ») change, de l’énergie entre en jeu, et la mesure de cette
énergie mesure le degré de transformation entre avant et après.
Si nous regardons autour de nous, nous constaterons que, en effet, dès qu’il se passe «
quelque chose » quelque part de l’énergie intervient :
 un changement de température consomme ou restitue de l’énergie. C’est cette énergie‐là
que nous utilisons pour chauffer ou refroidir une pièce, ou un aliment, ou l’eau d’une
douche (celle‐là on la refroidit rarement !), etc. De même, toutes les machines industrielles
qui cuisent, stérilisent, chauffent ou refroidissent utilisent donc de l’énergie.
 un changement d’état de la matière (passer de l’état gazeux à l’état liquide, ou encore de
l’état liquide à l’état solide), que les physiciens appellent également changement de phase,
utilise ou restitue de l’énergie, qui s’appelle de la chaleur latente. Notre corps utilise cette
énergie pour se refroidir : c’est la transpiration, qui consiste à évaporer de l’eau issue de
notre sérum (c’est pour cela que la transpiration est salée, et que par ailleurs elle nous
déshydrate). Les machines de froid (réfrigérateurs, congélateurs, et leur « symétrique », les
pompes à chaleur), utilisent la chaleur latente de condensation et d’évaporation pour
transporter des calories. Et tous les processus industriels qui fondent (il y en a un paquet,
surtout dans la production des matériaux de base) ou évaporent la matière consomment
donc cette énergie.
 un changement de vitesse d’un corps consomme ou utilise de l’énergie. Mettre en
mouvement voitures, camions, trains et avions utilise environ 20% de l’énergie que nous
consommons en France,
 un changement de composition chimique, selon les cas, fournit de l’énergie ou en
consomme. Une combustion, par exemple, est une transformation chimique qui fournit de
l’énergie, en associant de l’oxygène aux atomes initiaux, et à l’inverse toute action de
réduction (le fait d’enlever de l’oxygène d’un composé qui en comporte, comme par
exemple un oxyde métallique) en consomme. Modifier une composition chimique
consomme de 10 à 15% de l’énergie mondiale. L’industrie chimique qui, à partir de
ressources naturelles (air, eau, minerais, sous‐produits pétroliers, etc), fabrique d’autres
molécules (des centaines de milliers !), consomme 7% à 8% de l’énergie mondiale pour «
forcer » des réactions chimiques qui n’ont pas envie de se produire toutes seules. La
métallurgie de base (aciérie et production de métaux non ferreux) consomme quant à elle
environ 5% de l’énergie mondiale, essentiellement pour réduire les oxydes qui composent
les minerais.
 faire apparaître ou disparaître du rayonnement fait aussi intervenir de l’énergie. Par
exemple, une partie de l’énergie libérée par la fusion des noyaux dans le soleil est
transformée en rayonnement, qui transporte l’énergie jusqu’à la Terre, où il est pour
une large partie absorbé et chauffe notre planète. 100% de l’énergie renouvelable (hors
géothermie et énergie marémotrice, cette dernière étant dérivée de l’attraction
universelle) nous parvient donc sous forme de rayonnement (et même pétrole, gaz et
charbon sont des stocks de « rayonnement fossile » !). C’est l’énergie du rayonnement
qui transporte l’information permettant à la radio, la télévision, le téléphone portable
ou le wifi de fonctionner, même si les quantités d’énergie associées ne sont pas
considérables. Le micro‐onde qui réchauffe nos aliments ou le laser qui découpe les
tissus utilisent aussi cette énergie !
 changer une forme fait intervenir de l’énergie. La presse à emboutir et l’éplucheur à
légumes ont tous deux vocation à changer une forme (déformer une tôle dans le premier
cas, séparer un objet en deux morceaux dans le second), et de l’énergie est nécessaire
pour les mettre en mouvement (notre bras suffit pour le second !). Toutes les machines
industrielles (ou plus rarement domestiques) qui tordent, vissent, emboutissent, alèsent,
écrasent, étirent, filent, râpent, découpent, et j’en passe, ont donc besoin d’énergie.
 déplacer une masse dans un champ gravitationnel fait intervenir de l’énergie ; c’est « la
pesanteur ». C’est contre cette énergie que nous luttons lors d’une ascension en
montagne, et c’est cette énergie qui nous entraîne vers le bas de la pente à vélo. A chaque
fois que nous utilisons le « poids » d’un objet, en fait c’est l’énergie gravitationnelle que
nous exploitons. Or on ne compte plus les dispositifs qui utilisent des poids ou
contrepoids, à commencer par la balance du marché !
 faire interagir du courant et un champ magnétique consomme ou libère de l’énergie, selon
le cas. Quand on amène le courant au sein du champ magnétique et que l’on récupère du
mouvement, c’est un moteur électrique, et il y en a désormais partout dans notre univers.
Il y en a dans la distribution d’eau, les égouts, le fonctionnement des ordinateurs, les
appareils de froid, les ascenseurs et monte‐charge, les trains, les auxiliaires domestiques
(l’électro‐ménager), les pompes à essence, les démarreurs de voiture, les lignes
d’assemblage industrielles, les compresseurs, les grues… Quand on amène le mouvement
pour récupérer le courant, c’est un alternateur, que l’on trouve dans toute centrale
électrique… et dans toute voiture.
 toucher à la composition du noyau des atomes fait intervenir de l’énergie : c’est l’énergie
nucléaire. Cette énergie intervient dans la radioactivité, la fusion, et la fission. Toutes les
formes d’énergie disponibles sur terre sont des dérivés directs ou indirects de l’énergie
nucléaire : l’énergie solaire a une origine nucléaire (la fusion dans le soleil), et avec elle tout
ce qui en découle : hydroélectricité (cycle de l’eau), vent, solaire direct, biomasse, énergie
des océans, etc ; les combustibles fossiles sont de l’énergie solaire ancienne, donc du «
vieux nucléaire », la géothermie provient de la chaleur libérée par 4 milliards d’années de
radioactivité naturelle des matériaux composant le cœur de la planète, etc. L’énergie
nucléaire étant extrêmement intense (fissionner un gramme d’uranium libère autant
d’énergie que de brûler une tonne de pétrole) les hommes ne l’ont mise en oeuvre que
dans des applications en nombre limité : production électrique, bombes (hélas), et
radiothérapie (la radioactivité du cobalt 60 est utilisée pour bombarder les cellules
cancéreuses), pour l’essentiel.
L'énergie est un concept créé pour quantifier les interactions entre des phénomènes très
différents ; c'est un peu une « monnaie d'échange » commune entre les phénomènes physiques.
Ces échanges sont contrôlés par les lois et principes de la thermodynamique.
4.5 La monnaie‐énergie (Hubert Reeves, Patience dans l'azur, Éd. Québec‐Science. 1984, p.174‐
175)
« Derrière ce qui change, il y a quelque chose qui ne change pas.
Dans le monde, il y a du changement. Du chaud devient tiède.
Des corps tombent. Le feu brûle et les bûches se consument. Ces
transformations ne se font pas d’une façon arbitraire. Elles sont
reliées entre elles par une sorte d'échange monétaire. La
monnaie, ici, c'est l'énergie. Elle permet au physicien de tenir la
comptabilité des phénomènes qu'il étudie.
Dans un canon, une charge de poudre explose. De l’énergie chimique (d'origine
électromagnétique) est transformée partiellement en énergie cinétique (l'obus est lancé) et
partiellement en énergie thermique (le canon s'échauffe). La somme des énergies, cinétique et
thermique, est égale à l'énergie chimique libérée.
Il nous faut une unité d'échange. À la banque, on utilise le franc ou le dollar. En physique, il
existe plusieurs unités. Pour nous, la plus utile sera l'« électron‐volt ».
Le nom de cette unité pourrait laisser croire qu’elle ne peut s'appliquer qu'aux électrons. Il n'en
est rien. Comme la valeur‐or n'est pas restreinte au commerce des bijoux, cette unité vaut bien
au‐delà. Voici quelques exemples. Un proton qui se déplace à quinze kilomètres par seconde
possède une énergie cinétique d'un électron‐volt. Un électron, plus léger, doté de la même
énergie cinétique, se déplace à six cents kilomètres par seconde. L'énergie des photons
lumineux se chiffre également en électrons‐volts. Les photons bleus en ont trois. Les rouges,
un. L'arc‐en‐ciel se développe entre un et quatre électrons‐volts. Les rayons X en ont des
milliers, et les rayons gamma des millions. À l'autre extrémité, le rayonnement fossile est
constitué de photons d'un millième électron‐volt. Tandis que France‐lnter envoie dans l'espace
des photons d'un milliardième d'électron‐volt environ. Par rapport aux événements de notre
vie quotidienne, l’électron‐volt est une quantité d'énergie minuscule. Une calorie équivaut à
vingt‐six milliards de milliards d’électrons‐volts (2,6 x 1018), tandis qu'un litre d'essence en
dégage un milliard de milliards de milliards (1027).
5 Conservation de l’énergie
La caractéristique la plus remarquable de l’énergie est qu’elle se conserve toujours. Lorsqu’elle
est transférée d’un système à un autre, ou lorsqu’elle change de nature, il n’y a jamais ni
création ni destruction d’énergie. Si un objet a perdu de l’énergie, la même quantité d’énergie a
obligatoirement été gagnée par un autre objet en communication avec le premier. De même,
lorsque l’énergie change de forme, le bilan est toujours exactement équilibré.
C’est donc par abus de langage que les journaux, les économistes ou les hommes politiques
parlent de « production d’énergie », ou de « pertes d’énergie », puisque l’énergie ne peut être ni
créée ni perdue. En réalité, dans une centrale thermoélectrique, on ne « produit » pas d’énergie,
mais on transforme de l’énergie chimique ou nucléaire en énergie électrique et calorifique.
Le bilan global de cette conversion est caractérisé par un rendement. Celui d’une centrale
représente 33%, ce qui signifie que pour envoyer sur le réseau 33 unités d’énergie électrique, il
a fallu consommer 100 unités d’énergie nucléaire, tout en dégageant 67 unités de chaleur ;
cette chaleur, évacuée dans l’environnement, par exemple par la vapeur d’eau sortant des tours
de refroidissement, est donc, en général, perdue pour nous. Certaines centrales en récupèrent
toutefois une partie pour chauffer des habitations ou des serres.
Nous verrons plus loin que, si l’énergie se conserve toujours, ses diverses formes ne sont pas
équivalentes, car toutes les transformations concevables ne sont pas réalisables.
5.1 Présentation de Richard Feynman de la « loi de conservation de l'énergie » dans l'un des
tomes de « Lectures on physics » :
L'intérêt de cette présentation est de mettre le doigt sur la nature du raisonnement sous‐jacent
à ce principe ou cette loi.
Il écrit :
«…la loi est appelée conservation de l'énergie. Elle affirme qu'il y a une certaine quantité que
nous appelons énergie, qui ne change pas dans Ies multiples modifications que peut subir la
nature. C’est une idée très abstraite, car c’est un principe mathématique ; ce principe dit qu’il
existe une quantité numérique qui ne change pas, lorsque quelque chose se passe. Ce n'est pas
la description d’un mécanisme ou de quoi que ce soit de concret ; c'est simplement ce fait
étrange que nous puissions calculer un certain nombre et que, lorsque nous avons terminé
d'observer I’évolution de la nature et que nous recalculons ce nombre, il soit le même.
Puisque c'est une idée abstraite, nous illustrerons sa signification par une analogie. Imaginons
un enfant qui possède des cubes absolument indestructibles et qui ne peuvent pas être divisés
en morceaux. Tous Ies cubes sont identiques. Supposons qu'il ait vingt‐huit cubes. Sa mère le
met dans une chambre au début de la journée avec ses vingt‐huit cubes. A la fin de la journée
étant curieuse, elle compte les cubes avec attention et découvre une loi phénoménale –
quoiqu’il fasse avec ses cubes, il en reste toujours vingt‐huit !
Ceci se répète plusieurs jours durant jusqu'au jour où il n'y a que vingt‐sept cubes, mais un peu
de recherche montre qu'il y en a un sous le tapis ‐ elle doit regarder partout pour s'assurer que
le nombre de cubes n'a pas changé.
Un jour, cependant, le nombre semble changer ‐ il n’y en a que vingt‐six. Une recherche
attentive montre que la fenêtre était ouverte et en regardant dehors, elle retrouve les deux
autres cubes.
Un autre jour, un compte précis indique qu'il y en a trente ! Ceci lui causa une consternation
considérable, jusqu'au moment où elle réalisa que Bruce était venu en visite, amenant ses
cubes avec lui et qu'il en laissa quelques‐uns à la maison de Denis.
Après s'être débarrassée de ces cubes supplémentaires, elle ferme la fenêtre, ne laisse pas
rentrer Bruce et tout, alors, se passe bien, jusqu'au moment où recomptant elle ne trouve que
vingt‐cinq cubes.
Néanmoins, il y a une boîte dans la chambre, une boîte de jouet, et la mère essaie d'ouvrir la
boîte, mais le garçon dit « Non, n’ouvre pas la boîte à jouets », et se met à crier. La mère n'a pas
le droit d'ouvrir la boîte à jouets. Etant extrêmement curieuse et quelque peu ingénieuse, elle
invente un stratagème ! Elle sait qu’un cube pèse 100 grammes, aussi pèse‐t‐elle la boîte au
moment où elle voit vingt‐huit cubes, et elle trouve 500 grammes. A la vérification suivante, elle
repese la boîte, soustrait 500 grammes et divise par 100. Elle découvre la chose suivante :
Puis de nouvelles déviations apparaissent, mais une étude précise indique que le niveau de I’eau
sale de la baignoire s’est modifié. L’enfant jette les cubes dans l'eau et elle ne peut les voir parce
que cette eau est trop sale, mais elle peut savoir combien de cubes se trouvent dans l'eau, en
ajoutant un autre terme à sa formule. Puisque la hauteur initiale de l'eau était de 15
centimètres et que chaque cube élève le niveau d'un demi‐centimètre, cette nouvelle formule
sera :
Dans l'augmentation progressive de la complexité de son univers, elle trouve toute une série de
termes représentant des manières de calculer combien de cubes se trouvent dans des endroits où
il ne lui est pas permis de regarder. En conclusion, dans son cas, elle trouve une formule
complexe, une quantité qui doit être calculée et qui reste toujours la même. »
Quelle est l'analogie entre ceci et la conservation de l'énergie ?
L'aspect le plus remarquable qui doit être écarté de ce schéma c’est qu'il n’y a pas de cubes.
Éliminez les premiers termes dans Ies deux expressions et vous allez découvrir que vous calculez
des choses plus ou moins abstraites.
L’analogie est réalisée sur les points suivants :
 D'abord. lorsque nous calculons I’énergie, une certaine quantité de cette énergie quitte
quelques fois Ie système et s’en va, ou d’autres fois un peu d’énergie rentre dans Ie système.
 L’énergie apparaît sous un très grand nombre de formes différentes, et il existe une formule
pour chacune. Ce sont l'énergie gravitationnelle, I’énergie cinétique, I’énergie thermique,
l'énergie électrique, I’énergie élastique, l'énergie chimique, I’énergie de rayonnement,
l'énergie nucléaire, I’énergie de masse.
 Si nous additionnons Ies formules pour chacune de ces contributions, il n'y aura pas de
changement à l'exception de I’énergie qui entre et qui sort.
L'expression « loi de conservation de l’énergie » signifie que la quantité énergie avant un
événement doit être égale à cette quantité après.
Cette loi est‐elle absolue ?
Vers les années 1930, les physiciens découvraient l’existence du neutron, particule instable
(demi‐vie d’environ quinze minutes) qui se transforme en un proton et un électron. Le bilan
révélait moins d'énergie après la désintégration qu'avant. Confiant malgré tout dans la valeur de
la loi, le physicien Fermi imagina l'existence d'une nouvelle particule, invisible, émise au moment
de la réaction. Cette particule, nommée « neutrino » (petit neutron), devait, par définition,
posséder exactement l'énergie manquante et équilibrer le bilan énergétique de la réaction.
Quelques années plus tard, cette particule fut effectivement détectée au laboratoire. Elle a
progressivement pris une très grande importance en physique et en cosmologie. Cet événement
est significatif. Il montre que la notion d'énergie est fructueuse et bien adaptée à la réalité.
Vers 1930, on faisait l'hypothèse que la désintégration bêta aboutissait à seulement deux corps
dans l'état final : le noyau de recul et un électron. Comme dans la désintégration alpha, la
particule légère, l'électron devait emporter toute l'énergie disponible et être "monocinétique".
Or si l'on observait bien que la répartition en énergie des rayons alpha se limitait à une raie
correspondant à l'énergie totale disponible, celle des rayons bêta montrait un spectre allant de
zéro à l'énergie totale, comme le montre cette répartition en énergie des électrons bêta du
bismuth‐210. On ne retrouvait pas dans les désintégrations bêta l'énergie en principe
disponible. Où était passée l'énergie manquante ? Devant cette énigme, Niels Bohr se demanda
si l'énergie pouvait ne pas être conservée.
Désintégration beta selon les hypothèses d’une désintégration à deux corps ou à trois corps
C'est Wolfgang Pauli qui résolut l'énigme de l'énergie manquante, en proposant l'existence
d'une troisième particule échappant à la détection : le neutrino. Reprenant l'exemple de la
désintégration bêta du bismuth‐210, on a choisi ici la configuration où le noyau de recul,
l'électron et le neutrino possèdent une quantité de mouvement égale. Le noyau de recul étant
400 000 fois plus lourd que l'électron, il emporte une énergie négligeable. Le reste se partage
entre l'électron et le neutrino, représenté comme une particule fantôme : il fallut un quart de
siècle pour qu'une première expérience prouve son existence.
Pourtant, la loi de conservation n'est pas « absolue ». Ses exigences sont reliées à la durée du
phénomène observé. L'importance de la « transgression » tolérée est inversement
proportionnelle à sa durée. (Plus correctement, il faudrait dire que ces « transgressions »
émanent du fait que, si les durées sont courtes, les énergies sont mal définies.) Tout se passe
comme si l'énergie n'était pas rigoureusement conservée. Ces écarts jouent un rôle
fondamental dans le comportement des particules individuelles. Au niveau de notre réalité
quotidienne, qui implique des myriades de particules, ils se compensent et deviennent
pratiquement négligeables. La loi de conservation de l'énergie reprend alors ses exigences de
précision ».
6 Formes d'énergie (classification selon le phénomène physique)
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 :
Énergie cinétique : l'énergie associée au mouvement d'un corps ou d'une particule ; elle est
proportionnelle à la masse « m » et au carré de la vitesse « v » de l'objet (à condition que cette
vitesse soit faible devant celle de la lumière, 300 000 km/s) ; on peut considérer également
comme de l’énergie cinétique l'énergie électromagnétique transportée par les photons
(lumière, ondes radio, rayons X et γ...) ou l’énergie électrique transportée par des particules
chargées (cf. après).
Théorème des forces vives. Énergie cinétique
Soit une particule de masse m en mouvement sous l'action d'une force F et soit dM le
déplacement de cette particule pendant le temps dt. Le travail de la force F pendant
l'intervalle de temps dt est égal à l'accroissement de la « force vive » (mv2/2) de la particule.
Ce théorème est une conséquence du principe fondamental de la mécanique classique :
F = m dv/dt, où v est la vitesse de la particule.
On a en effet :
Il faut donc dépenser un certain travail mécanique (mv2/2) pour faire passer une particule de
masse m du repos à la vitesse v. La force vive est une forme d'énergie caractéristique des corps
en mouvement : l'énergie cinétique Ec.
Dans les cas non relativistes (c'est‐à‐dire lorsque les vitesses sont petites comparées à la
vitesse de la lumière dans le vide), l'énergie cinétique s'exprime ainsi :
Énergie cinétique
Énergie thermique ou chaleur : l'énergie cinétique d'un ensemble globalement au repos ; à
l’échelle atomique, la chaleur se traduit par un mouvement désordonné et plus ou moins rapide
des molécules.
A notre échelle, elle constitue la forme d'énergie mise en jeu lorsque la température varie ou
lorsqu'un matériau change d'état (fusion de la glace, évaporation de l'eau).
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 (par exemple, travail électrique transformé en chaleur par effet Joule dans un
radiateur électrique). On dit encore que la montée en température correspond à une
dégradation de l’énergie.
THERMIQUE
Transfert thermique : définition
Un transfert thermique, appelé plus communément transfert par chaleur, est un transfert
d'énergie microscopique désordonnée. Cela correspond en réalité à un transfert d'agitation
thermique entre particules, au gré des chocs aléatoires qui se produisent à l'échelle
microscopique.
Deux corps ayant la même température sont dits en « équilibre thermique ».
Si leur température est différente, le corps le plus chaud cède de l'énergie au corps le plus froid,
il y a transfert thermique. C'est une conséquence directe du deuxième principe de la
thermodynamique qui affirme que toute transformation d'un système thermodynamique
s'effectue avec augmentation de l'entropie globale incluant l'entropie du système et du milieu
extérieur :
Remarque :
Il peut se produire des transferts thermiques vers un système dont la température reste
constante, par exemple dans le cas d'un changement d'état physique (exemple : la fusion de la
glace à 0 °C sous la pression atmosphérique).
Énergie thermique et température
Lors de la mise en contact entre deux corps, un
échange d'énergie thermique se produit. Le point
d'équilibre est atteint lorsque les deux corps ont
atteint la même température. La notion
d'équilibre est une notion transitive.
Si un corps A est en équilibre avec B
et ce corps B est en équilibre avec un corps C
Alors A et C sont aussi en équilibre. A, B et C ont
la même température.
Même si elle est difficile à définir formellement,
la température est une notion utilisée dans la vie
courante, car elle est facile à observer. Mesurable
avec le thermomètre.
Les modes de transferts thermiques
Il y existe trois modes de transfert de chaleur :
la conduction est un mode de transfert de chaleur au sein d’un corps suite au contact
physique des particules de ce corps entre elles, sans déplacement de matière. La chaleur peut
aussi passer d'un corps à un autre, par contact. Elle s’observe surtout dans les corps solides ;
les liquides et les gaz sont également le siège de phénomènes de conduction, mais il est
beaucoup plus délicat d’observer le phénomène de conduction à l’état pur en raison du
phénomène de convection.
la transmission de chaleur par convection intervient essentiellement entre une paroi solide
et un liquide ou un gaz qui se déplace à son contact. Les phénomènes de convection mettent
en jeu des déplacements en masse du liquide ou du gaz. La quantité d'énergie ainsi
transportée peut être importante, notamment dans le cas d'un changement de phase.
la transmission par rayonnement (ou radiation) : tout corps porté à une température T
différente du zéro absolu émet un rayonnement électromagnétique. La chaleur peut donc
être transmise d’un corps à l’autre, via ce rayonnement, même en l’absence de tout milieu
matériel entre ces deux corps.
Conduction
Convection
Rayonnement
Exemple de phénomène convectif : le chauffage d’une casserole
On peut dire que les autres types d'énergie sont des énergies potentielles : moyennant un petit
changement, possible sans travail, un système instable se transforme en un système plus stable,
avec dégagement de la différence d'énergie entre les deux systèmes (le plus stable ayant une
énergie moindre) :
énergie potentielle mécanique :
 énergie potentielle de gravité (deux corps massifs s'attirent. Cette force, dite de
gravitation, est faible pour de petits objets, mais devient importante pour des astres.
A cette force correspond une énergie de gravitation, plus élevée lorsque les corps
sont éloignés l'un de l'autre que lorsqu'ils sont proches) ;
 énergie potentielle élastique (il s'agit d'une énergie potentielle associée aux
déformations des objets élastiques, par exemple à la tension d'un ressort ou à la
compression d'un gaz.
Le corps possède de l'énergie potentielle
élastique lorsqu'il est comprimé ou étiré.
L’énergie potentielle mécanique forme avec l'énergie cinétique ce qu'on appelle l'énergie
mécanique ;
énergie potentielle électrique : les particules chargées exercent les unes sur les autres
des forces électriques. De même qu'une énergie potentielle de gravitation est associée aux
forces de gravitation ou de pesanteur, une énergie potentielle électrique est associée aux
forces électriques entre charges. Le déplacement de celles‐ci dans un circuit s'accompagne
de transferts plus ou moins rapides d'énergie, mesurés par la puissance électrique.
énergie potentielle chimique : l'énergie chimique est associée à la liaison des atomes
dans les molécules.
Elle est plus élevée lorsque ces atomes sont séparés que lorsqu'ils sont liés en molécules,
et cet écart est d'autant plus grand que la liaison est plus forte.
Puisqu'elle modifie l'énergie chimique des corps, une réaction chimique s'accompagne
d'une transformation de cette énergie en une autre forme d'énergie, le plus souvent en
chaleur ;
Combustion du méthane dans le dioxygène
énergie potentielle nucléaire : l'énergie nucléaire est localisée dans les noyaux des
atomes. Ces noyaux, 100000 fois plus petits que les atomes eux‐mêmes, sont constitués
de particules plus élémentaires ‐ les protons et les neutrons ‐ très fortement liés entre eux.
De même que la liaison des atomes en molécules est la source de l'énergie chimique, la
liaison des protons et neutrons en noyaux par des forces nucléaires est la source de
l'énergie de l'énergie nucléaire.
énergie potentielle électromagnétique : énergie potentielle électrostatique ou
magnétostatique résultant de la position instable d'une ou plusieurs particule(s)
chargée(s) dans un champ électromagnétique, par exemple l'énergie stockée dans un
condensateur ou dans une bobine électrique ;
énergie électromagnétique radiative : un rayonnement transporte de l'énergie, même à
travers le vide. Le Soleil nous transmet une puissance de l'ordre de 1 kW par mètre carré,
sous forme de lumière visible et de rayonnement infrarouge. Un radiateur nous
communique sa chaleur par l'intermédiaire de l'air ambiant, mais aussi directement sous
forme de rayonnement infrarouge.
énergie de masse : selon la relativité restreinte, tout système immobile (on dit aussi au
repos), de masse m, possède une énergie de masse E, donnée par la relation d'Einstein :
E = mc2
avec :
E : l'énergie, en joules (J) ;
m : la masse, en kilogrammes (kg) ;
c : la célérité ou la vitesse de la lumière dans le vide, en mètres par seconde (c ≈ 3.0 ×
108m/s).
Cette relation est appelée relation d'équivalence masse‐énergie.
L'énergie de masse peut être vue comme l'énergie d'un corps mesurée dans un repère dans
lequel le corps est immobile.
Par exemple, lors de fission nucléaire, la masse totale de matière diminue légèrement. La
masse « manquante », immatérielle, est sous forme d'énergie cinétique des particules ou
énergie thermique. Dans les centrales nucléaires, cette énergie thermique est ensuite
récupérée pour la production d'électricité.
Quelques formes d’énergie mises en jeu dans des phénomènes macroscopiques et leur
expression mathématiques
7 Unités d’énergie et ordres de grandeur
En physique, c'est une grandeur scalaire dont la dimension est ML2T‐2.
Dans le Système international d'unités (SI), l'énergie s'exprime en, exprimée en joules. Dans
l'industrie, on utilise la tonne d'équivalent pétrole. Dans la vie courante, on utilise le kilowatt‐
heure ou la calorie, et en physique des particules on utilise plutôt l'électron‐volt, la conversion
entre ces unités dont les ordres de grandeur diffèrent se résumant à une simple constante de
proportionnalité.
Remarque : la calorie
La calorie est une unité d’énergie définie par le chimiste et physicien Nicolas Clément en 1824.
Le terme apparaît dans les dictionnaires français à partir de 1841 et dans les dictionnaires
anglais à partir de 1867. Elle a été proposée et utilisée bien avant que Joule établisse
l’équivalence chaleur‐travail (1843).
À l’époque de sa définition par Clément, la théorie dominante de la chaleur est celle du
calorique de Lavoisier, qui ne peut être ni créé ni détruit. La calorie est donc une mesure de la
quantité de calorique, c'est‐à‐dire, à proprement parler, une mesure de la quantité de chaleur.
Le nom de la calorie dérive du terme calorique, forgé sur le latin calor « chaleur ».
La première définition historique indique seulement que la calorie est la quantité de chaleur
nécessaire pour élever de 1° « centigrade » la température de 1 kilogramme d'eau. La définition
de la calorie est donc fondée sur la capacité calorifique de l'eau.
La définition a ensuite été changée comme suit : la calorie est la quantité de chaleur nécessaire
pour élever de 1° « centigrade » la température de 1 gramme d'eau. Cette définition ne précise
pas suffisamment les conditions expérimentales pour permettre une détermination correcte de
la calorie, d'où une multiplicité de valeurs dépendant des conditions de mesure. De plus, en
changeant la quantité d'eau de référence, elle a conduit à des ambiguïtés et des confusions
entre « calorie » et « kilocalorie » (ou « grande calorie ») qui perdurent aujourd'hui.
La calorie est une unité « pratique » de quantité de chaleur adoptée par les chimistes,
thermiciens et frigoristes. La calorie n'a jamais fait partie des unités du SI. Elle est encore utilisée
en diététique et parfois par les chimistes.
La définition améliorée (calorie à 15 °C) spécifie la calorie comme la quantité de chaleur
nécessaire pour élever 1 gramme d'eau dégazée de 14,5 °C à 15,5 °C sous pression
atmosphérique normale.
7.1 Quelques unités particulières pour la notion d’énergie : différence puissance et énergie
Le kilowattheure(kWh) est une unité de quantité d'énergie. Kilo‐Watt‐heure (kWh) signifie
« 1000 watts pendant une heure ».
Cette unité de mesure d'énergie correspond à l'énergie consommée par un appareil d’une
puissance de 1 000 watts (1 kW) pendant une durée d'une heure.
Elle vaut donc :
3 600 (s). 1000 (W) = 3 600 000 J = 3,6 mégajoules (MJ).
C'est, par exemple, l'énergie électrique consommée par dix ampoules de
100 W allumées pendant une heure.
Elle est surtout utilisée pour mesurer l'énergie électrique, aussi bien
l'énergie générée (générateur électrique...) que consommée (plaque de
cuisson...).
Un appareil électrique consommant une puissance d'un watt (1 W) (la mise en veille d'un
téléviseur par exemple) utilise 8,77 kWh durant un an.
Le kWh est aussi utilisé pour d'autres formes d'énergie que l'électricité. Par exemple, un
litre de mazout représente 10 kWh, un kilo de bois: 4 kWh.
On utilise aussi d'autres préfixes, par exemple :
1 watt‐heure (Wh) = 3 600 J
1 kilowatt‐heure (kWh) = 1 000 Wh = 3,6 MJ
1 mégawatt‐heure (MWh) = 1 000 kWh = 1 000 000 Wh
1 gigawatt‐heure (GWh) = 1 000 MWh = 1 000 000 kWh = 1 000 000 000 Wh
1 térawatt‐heure (TWh) = 1 000 GWh = 1 000 000 MWh = 1 000 000 000 kWh =
1 000 000 000 000 Wh
La calorie (symbole cal) (du latin calor, « chaleur ») est une unité d'énergie calorifique,
définie (calorie à 15 °C) comme la quantité de chaleur (ou l'énergie calorifique) nécessaire
pour élever la température d'un gramme d'eau de 14,5 °C à 15,5 °C sous la pression
atmosphérique normale (1 atm ou 101,325 kPa).
La calorie n'a jamais fait partie du SI. Depuis le 1er janvier 1978, le SI prévoit pour son
remplacement le joule (symbole J). La calorie reste employée en diététique mais est
largement abandonnée dans les autres domaines, à l'exception peut‐être de la chimie.
Il existe aussi une « grande calorie » (symbole Cal), notamment employée par les
nutritionnistes, égale à la kilocalorie (symbole kcal), soit 1 000 calories ou 4 186 joules. Il y a
donc une certaine ambiguïté entre les calories annoncées (qui sont en fait des kcal)et les
calories lues sur les emballages alimentaires.
Une calorie équivaut à 4,1855 Joule.
1 cal (15 °C) = 4,1855 J
1 Cal = 1000 cal = 1kcal
1 cal (thermochimique) = 4,184 J
1 kcal = 1,16 Wh
1 Wh = 0,860 kcal
Remarque : diététique et calories autorisées
En cas de travail de faible intensité, l'apport calorique se monte à un maximum de 2000 kcal
par jour chez la femme et de 2300 kcal par jour chez l'homme.
Pour les personnes effectuant des travaux lourds, la limite journalière se situe à 3100 kcal
chez la femme et 3500 kcal chez l'homme.
Si l'on veut perdre du poids, l'apport calorique journalier devrait être inférieur de 500 à 1000
kcal au besoin journalier normal.
8 Principes de la thermodynamique
8.1 Définition
La thermodynamique est la science qui étudie
et décrit le comportement de la matière ou
des systèmes, en fonction des notions de
température T, d'énergie (chaleur Q, travail
W...) et d'entropie S.
8.2 La thermodynamique en bref…
La thermodynamique :
étudie l'évolution ou les transformations de la matière ou des systèmes en considérant les
variations d'état du système, lors d'échanges d'énergie entre le milieu extérieur et le système.
repose sur 2 notions de base, l'énergie interne (U) et l'entropie (S) qui satisfont aux deux
principes suivants, qui stipulent que :
 l'énergie se conserve (premier principe de la thermodynamique, dit de conservation de
l'énergie)
 l'entropie ne peut qu'augmenter (deuxième principe de la thermodynamique, dit
d'évolution)
8.3 Objet de la thermodynamique
L'objet de la thermodynamique est d'étudier le fonctionnement et le bilan d'énergie des
machines thermiques et aussi les échanges ou transferts de chaleur et de travail dans un
système ou entre deux systèmes.
dans les machines thermiques on assiste à une conversion d'énergie d'une forme en une
autre (chaleur ‐> travail ou inversement)
dans les échanges de chaleur, il y a transfert de chaleur par suite d'une différence de
température dans le système ou entre deux systèmes
Exemple 1 : dans les machines thermo‐dynamiques (TD), il y production de travail par
conversion de chaleur en travail (les moteurs thermiques, les centrales thermiques ou
nucléaires...).
Exemple 2 : dans les machines dynamo‐thermiques (DT) par contre, il y a transfert de chaleur
d'une source froide à une source chaude grâce à un apport de travail (les machines frigo. et
pompes à chaleur, les liquéfacteurs...).
8.4 Définition et description de systèmes thermodynamiques
8.5 Etat stationnaire et état d’équilibre d’un système
8.6 Notions de chaleur et de travail
Une quantité importante apparaissant en thermodynamique est la chaleur. Elle représente
une forme d'énergie de rayonnement électromagnétique de faible fréquence, appelée aussi
énergie thermique ou calorifique, transférée d'un système à un autre et qui reste souvent
partiellement ou totalement irrécupérable. Des exemples d'énergie thermique sont donnés
par les phénomènes de chauffage, de frottement d'objets, de freinage, d'effet Joule dans les
circuits électriques, etc. Le transfert de chaleur fait varier l'énergie interne d'un système. La
variation infinitésimale correspondante sera désignée par Q (comptée positivement pour
l'énergie reçue).
D'autre part, la dilatation de volume du gaz permet aussi d'effectuer un travail mécanique, en
poussant par exemple une cloison mobile. Le travail fourni par le système pour un
déplacement infinitésimal dl d'une surface dS est égal à :
où nous avons utilisé la définition de la pression.
En désignant par W le travail infinitésimal algébrique reçu par le système, nous avons :
Ainsi W est négatif lorsque le volume du gaz augmente. Cette équation reste aussi valable
(algébriquement) lorsque le gaz est comprimé sous l'effet d'une force extérieure (par
l'intermédiaire d'un piston par exemple) ; W est alors positif.
8.7 Transformations thermodynamiques et premier principe de la thermodynamique
L’énergie peut se transmettre d’un système à un autre : sous forme de chaleur, elle passe d’un
radiateur à l’air d’une pièce. Elle peut aussi se transformer en changeant de nature.
 Dans un jouet mécanique, le ressort se détend en provoquant un mouvement.
 L’énergie associée au mouvement d’un vélo se transforme, lorsqu’on freine, en chaleur
communiquée aux patins des freins et à la jante des roues.
 L’énergie emmagasinée dans une pile de lampe de poche se change, lorsqu’on ferme le
circuit, en énergie électrique ; celle‐ci se convertit à son tour dans l’ampoule en énergie
lumineuse et calorifique.
 Dans une centrale thermoélectrique, l’énergie stockée dans le carburant (énergie chimique
dans le charbon et le pétrole, ou énergie nucléaire dans l’uranium) est transformée (par
combustion ou par réaction nucléaire) en chaleur ; puis une partie de cette chaleur est
récupérée dans les turbines sous forme mécanique ; enfin, cette énergie mécanique est
convertie en énergie électrique dans les alternateurs.
C’est à travers de telles transformations ou de tels transferts que l’énergie se manifeste à nous.
Énergie utile fournie
Énergie consommée
Radiateur électrique
ÉNERGIE
ELECTRIQUE
THERMIQUE (chaleur)
Lampe électrique
RAYONNANTE (lumière)
Moteur électrique
MECANIQUE (travail)
Accumulateur en charge
Transformateur
CHIMIQUE
ELECTRIQUE
Quand le sac est en‐haut, son énergie
réside dans sa hauteur, c’est l’« énergie
Potentielle » F∙d.
Quand le sac tombe, son énergie
réside dans sa vitesse, elle
s’est transformée en « énergie
cinétique».
Celle‐ci peut se retransformer en
énergie potentielle, égale à l’énergie
de départ: f∙D = F∙d
Cependant, une partie (minime dans le
cas d’une «bonne» machine) de
l’énergie initiale, se transforme en
chaleur par le frottement. On a donc
en réalité :
f∙D < F∙d
Principes fondamentaux
Termes impropres
Dans tous les cas
• « Production »
• « Consommation »
• « Changement de forme »
• « transfert »
d’énergie
d’énergie
• Premier Principe :
« Mon PC consomme de l’énergie électrique »
Énergie
électrique
Énergie lumineuse
Énergie cinétique des électrons
de la cathode
Énergie acoustique
Énergie cinétique et potentielle
de la membrane des hauts
parleurs
Chaleur
Effet joule
• Premier Principe :
« Une centrale hydro‐électrique produit de l’énergie
électrique »
Énergie
potentielle de
l’eau
Énergie
cinétique de
l’eau dans les
conduites
Énergie cinétique
transférée aux
turbines et rotor
de l’alternateur
Viscosité, frottements, chaleur
Énergie
électrique
Effet joule
• Premier Principe :
« Une voiture consomme de l’énergie ? … »
Chaleur
Énergie
chimique du
carburant
+
Énergie
lumineuse
Énergie
électrique
Énergie cinétique
Chaleur
Énergie
mécanique
Effet joule
Chaleur
frottements, résistance de
l’air, au roulement, …
Ces transformations sont régies par les règles suivantes :
 l'énergie du système se conserve au cours des transformations du système (c’est‐à‐dire
ne disparaît pas) ;
 l'énergie du système est seulement transformée d'une forme d'énergie en une autre
(équivalence des formes d'énergie) ;
 L'énergie d'un système isolé reste constante, U = cste ;
 L'énergie d'un système non isolé peut varier par suite d'échanges de chaleur et de
travail (Q,W) avec le milieu extérieur, alors le système évolue d'un état 1 à un état 2 : on
dit qu'il subit une transformation.
En conséquence :
 la quantité d'énergie totale dans l'univers est constante ;
 l'énergie peut être transformée mais ni créée ni détruite.
Dans le cas des systèmes thermodynamiques fermés (c’est‐à‐dire qui n’échangent pas de
matière avec l’extérieur), le premier principe s'énonce de la manière suivante :
« Au cours d'une transformation quelconque d'un système fermé (mais non isolé), la
variation de son énergie est égale à la quantité d'énergie échangée avec le milieu
extérieur, sous forme de chaleur et sous forme de travail. »
La variation de l'énergie d'un système fermé qui subit une transformation peut s'exprimer selon
la relation suivante :
où :
 E est la variation totale d'énergie du système ;
 U est la variation de l'énergie interne du système; c'est‐à‐dire son énergie propre
correspondant aux énergies cinétiques et potentielles microscopiques, des particules qui le
constituent ;
 Ec est la variation de l'énergie cinétique à l'échelle macroscopique (mouvement du système
dans un référentiel donné) ;
 Ep est la variation de l'énergie potentielle à l'échelle macroscopique, du système en
interaction avec des champs gravitationnels ou électro‐magnétiques.
 W est la partie de l'énergie qui correspond au travail échangé avec le milieu extérieur. Le
travail n'est pas une fonction d'état mais un mode de transfert ordonné d'énergie entre le
milieu extérieur et le système ;
 Q est la quantité d'énergie échangée sous forme de chaleur. Elle est transmise
essentiellement par trois processus d'échange thermique : conduction thermique,
convection, rayonnement. La chaleur n'est pas non plus une fonction d'état mais un mode
de transfert d'énergie microscopique désordonné. C'est en quelque sorte un transfert
d'agitation thermique entre le système et le milieu extérieur, qui est par nature
désordonné.
En clair, pour que l'énergie d'un système varie, il faut qu'il y ait un échange d'énergie entre
celui‐ci et le milieu extérieur, que ce soit sous la forme de travail, de chaleur, ou des deux à la
fois.
Lorsque les systèmes sont au repos à l'échelle macroscopique, ce qui est en général le cas pour
les transformations thermodynamiques affectant des systèmes physico‐chimiques, les énergies
cinétique Ec et potentielle Ep restent constantes et seule l'énergie interne U du système varie
(par exemple : un réacteur chimique, un calorimètre…).
Le premier principe s'écrit alors :
Conventions de signe
Pour quantifier les transferts nous utiliserons la convention de signe suivante, illustrée dans la
figure ci‐dessous :
 Lorsqu’ils sont positifs, les transferts Q et W traduisent une réception par le système.
 À l’inverse, lorsqu’ils sont négatifs, les transferts Q et W indiquent une perte du système. Le
travail W est alors fourni et la chaleur Q émise.
Ainsi, dans les équations, nous pouvons systématiquement additionner les termes sans avoir à
connaître le sens des transformations. Les transferts sont comptabilisés comme sur un compte
bancaire : les dépenses sont négatives et les recettes positives.
Conventions de signe pour un système fermé. Les flux entrants sont positifs, les flux sortants
sont négatifs ; ils sont tous représentés avec des flèches rentrantes. La quantité de masse est
fixe.
ENERGIE ÉLECTRIQUE
Tout circuit électrique
comporte un
générateur qui met les
charges en mouvement
: le générateur fournit
de l'énergie
électrique. L'unité de
mesure de l'énergie est
le joule (symbole J).
Les appareils électrique
consomment de l'énergie
électrique et la transforment
en énergie utile et en
chaleur. Par exemple, un
ventilateur transforme
l'énergie électrique fourni par
le secteur (220 volts) en
énergie mécanique (ça
tourne) et en chaleur (ça
chauffe un peu aussi), la
chaleur dissipée est de
l'énergie perdue (effet joule).
La puissance électrique d'un appareil est
l'énergie consommée par cet appareil
par unité de temps (en une
seconde). La puissance s'exprime en
watts (symbole W).
L'énergie électrique consommée
par un appareil =
puissance de l'appareil (en watt) x
temps d'utilisation (en secondes).
On exprime l'énergie électrique
aussi en watt‐heure (symbole Wh).
ENERGIE CHIMIQUE
L’énergie chimique est stockée dans
des corps chimiques, des molécules,
qui ont eu besoin d’apports d’énergie
importants pour être créés.
•Les explosifs sont des concentrés d’énergie chimique.
• L’électrolyse de l’eau va produire de l’énergie chimique sous
forme d’hydrogène et d’oxygène.
•Dans une batterie de voiture (batteries d’accumulateurs),
l’énergie est également présente sous forme chimique.
ÈNERGIE MÉCANIQUE.
C’est le travail nécessaire
qu’il faut fournir pour
obtenir un mouvement.
force
Déplacement 1mètre
L’energie est
proportionnelle au
déplacement effectué.
L’energie est proportionnelle
à la force développée pour le
déplacement.
force
Déplacement 3mètres.
EN TRANSLATION
E = F .AB
force
A
Déplacement AB
B
ROTATION
X°_= angle de déplacement
C= effort de rotation
E = C .X°
Comme le son est une forme d'énergie, il est possible de le transformer en
une autre forme d'énergie. De même, d'autres formes d'énergie peuvent
être transformées en son. L'énergie sonore peut être transformée en
énergie électrique. Les ondes sonores qui sont transformées en électricité
peuvent être observées à l'aide d'un oscilloscope.
8.8 Notion de rendement
L’énergie ne se produit pas, elle est transformée. Cette transformation s’accompagne d’un
dégagement de chaleur. Ainsi dans l’ampoule qui m'éclaire, l'énergie électrique est transformée
en lumière et chaleur. On ne peut donc généralement transformer intégralement l’énergie en
une autre forme d’énergie.
La conversion d'énergie d'une forme à une autre n'est en général pas complète : une partie de
l'énergie présente au départ est dégradée sous forme d'énergie cinétique désordonnée (on dit
parfois qu'elle est transformée en chaleur). On nomme rendement le quotient de l'énergie
obtenue sous la forme désirée par celle fournie à l'entrée du convertisseur.
Toute transformation d'énergie dégage un peu de chaleur.
Par exemple, lorsqu'on transforme de l'essence en mouvement mécanique dans une voiture,
une partie de l'énergie sera transformée en chaleur plutôt qu'en mouvement et on appellera
cela une « perte » (Quantité d'énergie de départ = Quantité d'énergie produite + Chaleur).
Seules les transformations qui ont pour but de produire de la chaleur n'ont pas de perte (par
exemple la transformation d'électricité en chaleur par une cuisinière).
Prenons l'exemple d'un moteur thermique. Ce qui intéresse son utilisateur, c'est le mouvement
mécanique produit. Le reste de l'énergie est au mieux considéré comme perdu (la part extraite
sous forme de chaleur dans les gaz d'échappement), au pire nuisible (la part qui correspond à
un 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 1 (ou de 100 %). En réalité, s'il est proche de
95 % pour les machines les plus puissantes, il est en moyenne aux alentours de 80‐85 %
seulement pour un moteur à courant alternatif de quelques kilowatts un peu plus faible
encore pour les moteurs à courant continu, du fait, entre autres, des frottements des balais
sur le rotor et d'une moins bonne répartition du champ magnétique dans la machine.
Le rendement réel d'un convertisseur est donc toujours inférieur à 1 sauf dans le cas des
convertisseurs dont le rôle est de produire de l'énergie thermique pour lesquels il est unitaire
(chauffage électrique).
8.9 Sens des transformations et second principe de la thermodynamique
8.9.1 Notion d’irréversibilité
Le premier principe qui stipule la conservation de l'énergie permet de faire le bilan d'énergie
des systèmes, sans imposer de conditions sur les types d'échanges possibles. Mais, ce bilan
énergétique ne permet pas de prévoir le sens d'évolution des systèmes.
Notre intuition et notre expérience quotidienne nous apprennent que beaucoup de
transformations ne peuvent avoir lieu que dans un seul sens.
Exemples :
 sens des réactions chimiques ou des transformations naturelles,
 il est facile de transformer de la
hauteur
de
chute
en
échauffement, on peut le faire
intégralement (comme dans
l’expérience de Joule), en
revanche l'inverse est difficile
(il
faut
des
appareils
complexes) et une partie de
l'« énergie » devra être
diffusée et donc perdue.
 transfert spontané de la chaleur du chaud vers le froid,
 il y a autant d’énergie dans un verre d’eau au rebord d’une table que dans ce même verre
brisé avec cette même eau renversée sur le sol. Or nous savons, ou plus exactement, nous
avons la conviction profonde, qu’il est possible que le verre tombe et se casse, mais
impossible que les éclats et l’eau sur le sol se rassemblent spontanément en un verre plein
sur la table.
 Une roue en mouvement est ramenée à l’arrêt par le frottement du frein. Il y a échauffement
du frein. La variation d’énergie interne du frein correspond à la perte d’énergie cinétique de
la roue. Le processus inverse dans lequel le refroidissement se transformerait en énergie
cinétique, quoique compatible avec le premier principe, ne se produit jamais.
Ainsi, la conservation de l’énergie n’est pas entièrement suffisante pour déterminer ce qui est
possible.
Dans le vocabulaire de la thermodynamique, le concept d’une « évolution à sens unique »
est bien sûr nommé irréversibilité.
Le premier principe par son bilan n'exclut pas le transfert de la chaleur du froid vers le
chaud (ce qui est impossible) et il n'explique pas l'irréversibilité de certaines
transformations spontanées ou naturelles.
Nous souhaiterions pouvoir en plus prédire de façon absolue et quantitative le sens dans
lequel l’énergie peut ou ne peut pas être transformée.
Il faut donc introduire un deuxième principe dit aussi principe d'évolution, déduit des faits
expérimentaux, qui permettra de prévoir l'évolution des systèmes.
8.9.2 Postulats d'irréversibilité
La thermodynamique classique ne cherche pas à expliquer le sens privilégié des transformations
naturelles ou spontanées, mais elle postule simplement l'irréversibilité de ces transformations
observées expérimentalement.
Enoncé de Clausius du second principe
Une quantité de chaleur ne peut jamais être transférée
spontanément d'une source froide (BT) vers une source
chaude (HT)
Si l'interdiction de Clausius n'existait pas, on pourrait alors extraire par exemple sans dépense
d'énergie l'énergie calorifique des océans, des fleuves ou de l'air pour faire bouillir de l'eau et
ainsi faire fonctionner gratuitement des turbines à vapeur pour disposer d'énergie mécanique et
électrique gratuite !!!
Enoncé de Kelvin du second principe
Il est impossible de prélever une quantité de chaleur Q d'une
source de chaleur (cycle monotherme) et de la transformer
intégralement en travail
Cela revient à dire qu'il est impossible de transformer intégralement de la chaleur en travail.
Sans cette impossibilité, on pourrait construire un moteur qui pomperait de la chaleur d'une
source (océan) et la transformer complètement en travail pour faire avancer un navire !!!
Mathématiquement :
Production d’un travail avec de la chaleur
issue d’un corps à 100°C : le transfert de
chaleur permet la production d’un travail mais
il provoque également une augmentation de
température du fluide
Le refroidissement inévitable du moteur. La
seule manière de ramener le fluide à son état
initial (A) dans l’expérience précédente est de
lui prélever de la chaleur, ce qui ne peut se faire
qu’avec un « puits » à chaleur de température
plus basse. Les transferts de chaleur et de
travail sont ici plus faibles qu’à l’aller, mais tous
deux non nuls.
Un moteur thermique constitue un exemple de machine thermique :
Une machine thermique transformant travail
et chaleur dans sa représentation la plus
générale.
Un exemple de transferts
énergétiques vers un moteur
thermique
Exemples de machines thermiques
Un exemple de transferts énergétiques en jeu dans un
réfrigérateur, un climatiseur ou une pompe à chaleur en
fonctionnement.
8.10 Machines thermiques
8.10.1 Carnot et les machines réversibles
Au début du XIXème siècle, un jeune polytechnicien
parisien nommé Sadi Carnot s’est intéressé au
fonctionnement des moteurs thermiques, alors en plein
essor. Carnot recherchait la quantité maximale de travail
qu’il est possible de générer à partir d’une quantité
donnée de charbon.
Sadi Carnot, 1824
Carnot recherche le moteur théorique dont l’efficacité est maximale. Il imagine une façon unique
de transformer chaleur en travail et travail en chaleur. Sa machine peut fonctionner dans les
deux sens : en tant que moteur ou bien en tant que réfrigérateur.
Rudolf Clausius, 1850
En termes thermodynamiques, la machine qu’il
conceptualise est non seulement inversable, c’est‐à‐
dire qu’on peut changer le sens de circulation du
fluide pour changer sa fonction (tels de nombreux
climatiseurs domestiques disponibles dans le
commerce aujourd’hui), mais elle est aussi réversible :
en inversant son fonctionnement, tous les flux de
chaleur sont exactement opposés. Un processus est
dit réversible si l'on peut revenir à l'état initial sans
modification du système ou de l'entourage.
De cette façon, si son réfrigérateur est alimenté par son moteur, alors les flux seront
exactement compensés, comme représenté en figure ci‐dessous.
Deux machines de Carnot, un moteur (à gauche) et un réfrigérateur (à droite). La
première alimente la seconde, et comme elles sont réversibles, les flux de chaleur sont
compensés.
Dans la réalité on n'a jamais un processus parfaitement réversible.
Pourquoi une telle machine serait‐elle la plus efficace que l’on puisse concevoir ? On peut
montrer par l’absurde qu’un moteur ayant une efficacité supérieure à un moteur réversible ne
peut exister.
Démonstration par l’absurde du fait que le meilleur moteur possible
est réversible. Un hypothétique moteur (à gauche) qui aurait une plus grande
efficacité qu’un réfrigérateur réversible (à droite) pourrait simplement alimenter
ce dernier. Ainsi, on obtiendrait un flux net spontané de chaleur (de 100 W)
depuis la source froide vers la source chaude, sans apport net de travail : d’après
le second principe, c’est impossible.
8.10.2 Classification des machines thermiques
Les machines thermiques réversibles doivent satisfaire aux deux principes de la
thermodynamique soit :
Analyse des différents cas possibles :
Cycle thermodynamique moteur. Le fluide
absorbe de la chaleur fournie à haute
température TH. La puissance de compression
est plus faible que la puissance à la détente :
la puissance nette sous forme de travail est
négative.
Cycle thermodynamique moteur effectué en
séparant les étapes dans le temps (plutôt que
dans l’espace comme représenté à gauche). Le
fluide est réchauffé par une source de chaleur à
haute température TH. Le travail net est
négatif.
Cycle thermodynamique moteur, pour lequel le compresseur et la turbine sont couplés
mécaniquement. Comme la turbine fournit une puissance 𝑊 supérieure à celle consommée
par le compresseur (𝑊 ), elle est capable non seulement de l’entraîner mais aussi de fournir un
excédent 𝑊 vers l’extérieur
Cycle thermodynamique de refroidissement,
utilisé dans les réfrigérateurs, climatiseurs et
pompes à chaleur. Une puissance 𝑄 sous
forme de chaleur est captée à basse
température (le fluide est réchauffé) tandis
qu’une puissance 𝑄 est rejetée à haute
température (le fluide est alors refroidi)
Cycle de réfrigération effectué en séparant les
étapes dans le temps (plutôt que dans l’espace
comme représenté à gauche).
Cycle de réfrigération modifié. Lorsque l’on utilise des liquides/vapeurs, il est possible de se
dispenser d’extraire du travail lors de la détente. L’utilisation d’une simple soupape suffit pour
faire baisser la température du fluide.
8.10.3 Cycles de réfrigération
Les cycles de réfrigération ont deux grands types d’application :
 Les pompes à chaleur appelées aussi thermopompes sont agencées de façon à rejeter la
chaleur vers un corps à haute température, le plus souvent une habitation ;
 Les réfrigérateurs et climatiseurs sont agencés de façon à extraire de la chaleur d’un corps à
basse température, le plus souvent une chambre froide.
Agencement d’une pompe à chaleur. La
machine est positionnée de sorte à refouler à
l’intérieur (où la température est plus haute) la
chaleur prélevée à l’extérieur (où la
température est plus basse).
Agencement d’un réfrigérateur ou d’un
climatiseur. La machine est positionnée de
sorte à refouler à l’extérieur (où la température
est plus haute) la chaleur prélevée à l’intérieur
(où la température est plus basse). Il s’agit
exactement de la même machine qu’à la figure
de gauche
La similarité entre climatiseur et pompe à chaleur permet d’effectuer ces deux fonctions avec
une seule même machine, que l’on dit alors inversable – ou parfois réversible, à tort comme
nous le verrons. En fonction des besoins, le sens de circulation du fluide est inversé, ce qui
provoque l’inversion des transferts de chaleur. Ce type de machine est représenté ci‐dessous.
Agencement d’un climatiseur inversable. En pivotant des deux vannes de 90° dans le sens
anti‐horaire, on change la fonction depuis une pompe à chaleur vers un climatiseur.
8.10.4 Efficacité des machines thermiques
Le rendement ou l’efficacité  d’une machine thermique compare le transfert ou la
transformation utile qu’elle effectue avec le coût énergétique qu’elle engendre.
Nous retiendrons la définition de principe suivante
 Rendement d’un moteur
Transferts énergétiques associés à un moteur. On
souhaite obtenir un grand transfert 𝑊 (résultat) à
partir du transfert 𝑄 (coût). Le rejet 𝑄
est
indésirable.
 Rendement d’un réfrigérateur ou d’un climatiseur
Transferts énergétiques associés à un
réfrigérateur ou à un climatiseur. On
souhaite obtenir un grand transfert 𝑄
(résultat) à partir du transfert 𝑊
(coût).
 Rendement d’une pompe à chaleur
Transferts énergétiques associés à une pompe
à chaleur. On souhaite obtenir un grand
transfert 𝑄
(résultat) à partir du transfert
𝑊 (coût).
8.11 Cycle de Carnot
8.11.1 Élaboration du cycle de Carnot
Nous avons donc vu que l’efficacité maximale d’une machine est atteinte lorsque son
fonctionnement est réversible. À partir de ce constat, Carnot raisonne de la façon suivante :
 1. Toutes les machines thermiques fonctionnent avec la dilatation et la contraction d’un
corps soumis alternativement à deux températures ;
 2. Pour qu’ils soient réversibles, c’est‐à‐dire pour pouvoir être effectués dans le sens inverse,
tous les transferts de chaleur doivent être effectués avec des différences de température
infinitésimales : ces transformations seront alors isothermes ;
 3. Pour qu’elles soient réversibles, les phases où le corps change de température (pour
passer d’un réservoir de chaleur à un autre) doivent se faire sans transfert de chaleur : ces
transformations seront alors adiabatiques.
 4. Pour permettre un retour en arrière avec chaque évolution, il faut qu’elles soient toutes
réversibles (infiniment lentes).
8.11.2 Les quatre étapes du moteur de Carnot
Nous pouvons décrire le cycle de Carnot avec une quantité de masse prisonnière dans un
cylindre à laquelle l’on fait subir quatre transformations (cf. figure après). Elle évolue ainsi
entre les températures TH (source « chaude » à haute température) et TB (source « froide » à
basse température), pour développer un travail net :
Dans cette étape, nous souhaitons amener le fluide jusqu’à une haute température sans lui
apporter de chaleur. Le cycle débute en 1, lorsque le fluide est dans le cylindre à température
basse TB.
Pour l’amener à température haute (et ainsi permettre un transfert de chaleur réversible en
phase 2  3), le fluide est compressé de façon adiabatique réversible. La température du fluide
augmente de TB à TH.
Cette phase est consommatrice de travail ( W1  2 > 0).
Les quatre étapes du moteur de Carnot, réalisées avec une quantité de masse fixe en les
séparant dans le temps. Le cycle est tel que lorsque les étapes sont effectuées dans l’ordre
inverse (1  4  3  2  1), les transferts sont exactement opposés
Dans cette étape, nous souhaitons capter une quantité QTH de chaleur de la source à haute
température.
En 2, le fluide se trouve compressé dans le piston, à la température TH. Le cylindre est mis au
contact de la source chaude (température TH) et on fournit de la chaleur avec une différence
de température infinitésimale : c’est une détente isotherme. La température du fluide reste
constante à TH.
Cette phase est productrice de travail ( W2  3 < 0).
Dans cette étape, nous souhaitons faire chuter la température du fluide jusqu’à celle de la
source froide ( TB).
En 3, le fluide se trouve toujours à température TH. Le cylindre est alors isolé thermiquement
et le fluide est détendu de façon à extraire du travail et réduire sa température sans transfert
de chaleur : c’est une détente adiabatique réversible. Le piston poursuit son lent recul, et la
température du fluide descend jusqu’à TB.
Cette phase est productrice de travail ( W3 4 < 0).
Dans cette dernière étape, nous souhaitons rejeter une quantité QTB de chaleur dans le puits
à basse température.
En 4, le fluide est à température basse TB. Pour le ramener à son volume initial, il faut lui
retirer de la chaleur. Nous procédons à un refroidissement isotherme : le piston est avancé
progressivement, et la température du fluide est maintenue constante à TB.
Cette phase est consommatrice de travail ( W4 1 > 0).
Au final, le moteur a reçu une quantité de chaleur |QTH| à haute température, et rejeté une
quantité |QTB| plus faible à basse température.
La différence entre ces deux quantités est le travail produit,
Cette quantité de travail Wnet représente le maximum qu’il soit possible d’obtenir à partir d’une
quantité de chaleur QTH , entre deux températures données TB et TH.
Les quatre étapes du moteur de Carnot, réalisées avec un débit de masse constant en les
séparant dans l’espace. Ici encore, le cycle est tel que lorsque le sens de circulation est inversé
(devenant 1  4  3  2  1), les transferts sont exactement opposés
8.11.3 Cycles de Carnot
Le cycle du moteur de Carnot peut être tracé sur un diagramme pression‐volume (comme par
exemple en figure ci‐dessous avec un gaz parfait). On observe notamment que les phases de
compression se déroulent à une pression et un volume plus bas que les phases de détente : le
cycle est producteur de travail. Comme toutes les évolutions sont réversibles, l’aire circonscrite
dans le parcours 1‐2‐3‐4‐1 représente la quantité de travail net Wnet produite.
Diagramme pression‐volume du moteur de Carnot réalisé avec un
gaz parfait. Les évolutions 2  3 et 4  1 se font respectivement à TH et TB
Diagramme pression‐volume pour un cycle de Carnot inversé, c’est‐à‐dire en mode de
réfrigération (réfrigérateur ou pompe à chaleur), avec un gaz parfait.
8.11.4 Bilan des échanges de chaleur dans le cycle de Carnot (dans le cas du gaz parfait)
Dans ce paragraphe, on note :
T1=TH et T2=TB avec T1 > T2
8.11.5 Efficacités des machines thermiques
On montre que les efficacités des machines thermiques basées sur un cycle de Carnot
s’expriment en fonction des températures absolues ainsi :
Le rendement d'un moteur thermique réversible ne dépend que des températures, il ne
dépend pas de la nature du fluide.
Le coefficient d’efficacité frigorifique ne dépend que des températures, il ne dépend pas de la
nature du fluide. Il peut être inférieur ou supérieur à 1.
Le coefficient de performance des pompes à chaleur est d'autant plus grand que les
températures des deux sources sont proches.
Tous les moteurs thermiques réversibles fonctionnant entre deux sources ayant les températures
T1=TH et T2=TB avec T1 > T2 ont le même rendement égal à :
Les machines thermiques irréversibles fonctionnant entre ces mêmes températures ont un
rendement inférieur à celui des machines réversibles :
8.12 Notion d’entropie et reformulation du second principe
8.12.1 Introduction à la notion d’entropie
Pour quantifier l’irréversibilité d’une évolution, nous allons quantifier
la chaleur qu’il faudrait retirer au corps pour le ramener dans son
état initial de manière réversible. En lui soustrayant la chaleur qui a
été effectivement transmise, nous obtenons en quelque sorte la
chaleur qui a été inutilement créée pendant l’évolution.
Or, plus la température à laquelle cette chaleur créée est basse,
moins elle peut être transformée en travail.
Rudolf Clausius, 1856
Nous allons ainsi « pénaliser » le coût en chaleur en le divisant par la
température.
De cette manière, nous allons obtenir une grandeur en joules par kelvin – l’entropie créée
pendant l’évolution – qui va être nulle pendant les évolutions réversibles et qui va toujours être
positive pendant les évolutions irréversibles. C’est cette création qui sera le signe manifeste que
la transformation n’est possible que dans un sens.
8.12.2 Qualité des énergies
Ce qui change aussi, à chaque transformation de l’énergie, est donc la « qualité » de cette
dernière, caractérisée par une notion que l’on appelle l’entropie, qui au niveau microscopique
mesure le « degré de désordre » de l’énergie. Plus l’entropie augmente, et plus l’énergie est «
en désordre », donc bas de gamme.
Or chaque transformation irréversible augmente inexorablement l’entropie, en transformant
une énergie « haut de gamme » en énergie « bas de gamme ».
Le haut de l’échelle est occupé par l’énergie mécanique, et le bas de l’échelle est occupé par la
chaleur basse température, et c’est pour cela que tout usage de l’énergie se termine toujours
en chaleur, et qu’il est impossible de recréer du mouvement (faible entropie) à partir de
chaleur (haute entropie) pour la totalité de la chaleur entrant dans une machine thermique.
Nous avons l’intuition et une intime conviction que ces trois photos ont été prises dans un ordre
bien particulier. Une mesure de l’entropie dans ces trois situations, dans lesquelles l’énergie est
la même, nous permet de déterminer cet ordre en associant à notre intuition une grandeur
calculable.
8.12.3 Définition de l’entropie
Commençons par admettre le fait que l’entropie est une propriété physique, c’est‐à‐dire
quelque chose qui caractérise l’état d’un système.
Dit autrement : si l’on considère une portion de l’univers à un moment donné (un système),
nous trouvons que ce système a une masse, un volume, une température : ce sont ses
propriétés, des descriptions absolues de son état. L’entropie est une de ces propriétés.
Par contraste, nous pourrions dire que la chaleur, le travail ou le courant électrique ne sont
pas des propriétés : ce ne sont pas des quantités qui décrivent un objet, mais plutôt un
transfert entre deux objets.
Nous penserons donc toujours à l’entropie comme étant l’entropie « de quelque chose »
(peut‐être comme nous dirions la couleur, la température « de quelque chose »). Nous dirons
par exemple « ce corps a de l’entropie » ou « l’entropie de ce corps augmente/diminue », et
non pas « nous prenons/donnons de l’entropie à ce corps ».
On nomme entropie une propriété physique notée S définie comme suit :
 Lorsqu’un système suit une évolution réversible, son entropie varie de façon telle que :
Lorsqu’il passe d’un état A à un état B de façon réversible, l’entropie d’un système varie donc
d’une quantité S :
où l’indice rév. spécifie que l’intégration se fait le long d’un chemin réversible.
 Lorsqu’un système suit une évolution irréversible entre A et B (comme pour la majorité des
évolutions réelles), alors il faut trouver un chemin réversible entre ces deux états et y
effectuer l’intégration précédente pour calculer S .
Il existe toujours une façon réversible (en fait, il existe même une infinité de façons) de faire
évoluer un système entre deux états quelconques. Pour cela, il faut que le travail qui lui est
transféré le soit de façon infiniment lente et que la chaleur qui lui est transférée le soit avec
une différence de température infinitésimale.
Clausius forge le mot en‐tropie à partir du grec ancien
tropè τροπή (révolution, changement), ce qui, couplé à
son ton autoritaire, ne fait rien pour gagner
l’enthousiasme de ses contemporains. Mais le concept
est si puissant, et l’équation de définition si simple,
qu’ils sont universellement acceptés.
Rudolf Clausius, 1865
L’unité de l’entropie S , est le J.K‐1 (Joule par kelvin) ; et de façon correspondante, on définit
l’entropie spécifique s :
Ajoutons trois remarques avant de poursuivre.
1. L’équation précédente ne permet pas de calculer l’entropie d’un système, mais seulement
sa variation lorsqu’il évolue. En fait, on ne sait pas calculer l’entropie d’un corps arbitraire
mais cela n’a pas d’importance.
2. Tout comme l’énergie, l’entropie est invisible, inodore, impalpable et inaudible. Il n’existe
pas d’instrument capable de la mesurer. Nous ne pouvons que calculer ses variations.
3. On ne peut calculer les variations d’entropie que le long d’évolutions réversibles, ce qui est
une limitation très importante (aucune évolution réelle n’est réversible). Cependant, il
existe toujours de multiples façons réversibles, toutes équivalentes, de reproduire l’état
final d’une évolution irréversible.
8.12.4 Second principe et entropie
Nous avons admis précédemment (second principe) que la chaleur ne se déplaçait
spontanément que vers une température plus basse – un postulat que nous nommons second
principe. Nous pouvons maintenant formuler cette affirmation avec une expression
mathématique.
 Lors d’un transfert de chaleur d’un corps à température TA vers un autre à température TB, la
variation globale d’entropie :
est nécessairement nulle ou positive car TA est nécessairement égale ou supérieure à TB.
 Lors d’un transfert de travail toute irréversibilité donne lieu à une température finale plus
haute qu’elle n’aurait pu l’être. L’obtention du même état final avec un chemin réversible
demande donc un apport de chaleur, c’est‐à‐dire un terme
positif. Une irréversibilité se traduit donc par une augmentation de l’entropie globale.
On peut donc reformuler le deuxième principe en utilisant cette nouvelle fonction d'état dite
entropie S et décrire le comportement des systèmes par la maximalisation de leur entropie :
l'entropie S d'un système augmente si le système tend vers son équilibre : d'où S > 0
l'entropie S est maximun si le système est à l'équilibre
Nous pourrions également dire, de la même façon que nous avions décrit l’énergie comme «
une grandeur qui ne varie pas lors des transformations », que l’entropie est conceptualisée
comme « une grandeur qui augmente toujours lors des transformations ». C’est l’indicateur
que nous recherchions pour pouvoir déterminer le sens des transformations.
8.12.5 L’entropie à l’échelle microscopique
Passé Clausius, le développement de la thermodynamique n’intéresse plus guère les
ingénieurs, mais les physiciens ne sont pas rassasiés. Il nous reste en effet un problème, car si
nous avons bien décrit le phénomène d’irréversibilité, nous n’avons toujours pas expliqué son
origine à l’intérieur de corps constitués de particules dont les évolutions (un incessant
bourdonnement de collisions, à base de forces d’attraction et de répulsion), elles, sont
parfaitement réversibles.
Il ne faudra que dix ans pour que la réponse soit formalisée : l’autrichien Ludwig Boltzmann
propose en 1875 une définition microscopique de l’entropie :
où λ est le nombre de configurations microscopiques possibles du
système qui correspondent à son état, et k est une constante.
Richard Feynman, 1963
À l’échelle macroscopique, nous avions décrit le second principe comme une impossibilité : un
objet de température homogène ne peut pas voir spontanément une extrémité se refroidir et
l’autre se réchauffer.
Selon Boltzmann au niveau microscopique, un tel événement n’est pas strictement impossible,
mais seulement très improbable.
L’état où les molécules les plus rapides sont toutes rassemblées à une extrémité, et les plus
lentes à l’autre, est bien moins probable (entropie plus faible) qu’un état où elles sont
réparties de façon homogène (entropie plus grande). Cette approche a non seulement le
mérite de raccrocher notre discipline avec la théorie atomique – et nous parlerons dès lors de
thermodynamique microscopique et statistique – mais elle va aussi ouvrir la porte de la théorie
de l’information.
9 Classer les énergies (selon les filières)
9.1 Classer les énergies : renouvelables et non renouvelables
LES ÉNERGIES NON‐RENOUVELABLES.
Leurs sources d’énergie sont limitées
dans la planète, elles ne se
renouvellent pas assez rapidement
voire ne se renouvellent plus.
Énergie
nucléaire
Elles sont bien implantées et
permettent des tarifs bas, mais
renforcent l’effet de serre
Charbon
Gaz Naturel
Pétrole
La production électrique
mondiale repose notamment sur
l'exploitation de combustibles
fossiles et donc non
renouvelables : le charbon, le
gaz naturel, le pétrole.
Ces combustibles ont un cycle de
renouvellement de plusieurs millions
d'années. Leur énergie provient donc
du soleil: Elle a été emmagasinée sous
forme d'énergie potentielle par la
photosynthèse.
Les carburants fossiles posent deux
problèmes : ils sont non renouvelables et
leur combustion, nécessaire à la production
d'électricité, produisent du dioxyde de
carbone et des fumées ce qui pollue
l'atmosphère terrestre et entraîne un
réchauffement de la planète.
LES ÉNERGIES RENOUVELABLES.
Leurs sources d’énergie se renouvellent assez
rapidement. Elles sont considérées comme
inépuisables à l’échelle de l’homme. Ces
énergies ont leurs sources dans des
phénomènes naturels réguliers. Les moyens
pour les capter sont chers
Énergie
solaire
Énergie
éolienne
Énergie
géothermique
(géotermie)
Énergie
hydraulique
9.2 Classer les énergies : primaires et secondaires
Nous ferons une distinction, essentielle pour l'analyse des ressources énergétiques, entre les
énergies primaires et les énergies secondaires.
Les énergies primaires sont celle qu'on trouve dans la nature (sur Terre), plus ou moins prêtes à
l'emploi et qui sont susceptibles de satisfaire tous nos besoins, de manière directe ou indirecte.
Les énergies secondaires n'existent pas comme telles dans la nature. Elles sont obtenues par
transformation à partir d'une autre énergie. Un des exemples les plus connus est l'électricité.
Pour désigner les énergies secondaires on utilise souvent l'expression « vecteurs
énergétiques ».
PRIMAIRES
Énergies exploitées directement ou importées.
Ce sont celles dont les sources sont des phénomènes naturels ou
des matériaux extraits de la Terre comme le pétrole brut, le gaz
naturel, les combustibles minéraux, le rayonnement solaire,
l’énergie hydraulique, l’énergie éolienne
SECONDAIRES
Énergies obtenues par la transformation d’une énergie primaire
ou d’une source d’énergie primaire
E:\Dropbox\Cours Helb\Ecologie sociale\lenergie102.swf
9.3 Énergies primaires : formes classiques et relativistes
Pour classer les énergies primaires, nous ferons ensuite la distinction entre les formes classiques
d'énergie, les plus courantes, et les formes relativistes ou énergies nucléaires.
Les formes classiques sont celles qui obéissent aux lois de la mécanique classique et de la
thermodynamique. Elles obéissent à la loi fondamentale de la conservation de l'énergie.
Les formes relativistes sont ainsi qualifiées car elles font intervenir la théorie de la relativité et
la possibilité de conversion entre masse et énergie, selon la fameuse loi E = mc2 énoncée par
Albert Einstein. Dans ce cas, la loi de conservation de l'énergie doit être étendue à la masse.
http://ormee.quelfutur.org/
9.4 Formes classiques des énergies primaires
9.4.1 À l’origine était le Soleil
Le rayonnement solaire, rayonnement électromagnétique résultant des réactions de fusion
nucléaire au sein du soleil, est à l'origine de pratiquement toutes les formes d'énergies
classiques.
Le (très petit) solde non‐solaire a été emmagasiné lors de la formation de la Terre, sous forme
de chaleur et d'isotopes radioactifs, ou dans notre système planétaire sous forme d'énergie de
rotation.
Le rayonnement solaire reçu par la Terre est donc la principale source d'énergie classique. Pour
l'étude des enjeux énergétiques, il est naturel de faire la distinction entre :
le solaire ancien, qui a permis l'accumulation pendant des centaines de millions
d'années d'une petite fraction de la biomasse,
le solaire récent, celui que la planète reçoit tout au long de l'année.
9.4.2 Le solaire ancien
Pendant des centaines de millions d'années, le rayonnement solaire a permis le développement
des plantes et de la biomasse en général. Lorsqu'une petite partie de cette biomasse (moins de
1%) s'est trouvée enfouie, elle a pu évoluer jusqu'à former du pétrole, du gaz et du charbon (le
carbonifère, principale période d'accumulation du charbon, a par exemple duré environ 70
millions d'années).
C'est ce solaire ancien qui assure plus des trois quarts de notre consommation actuelle
d'énergie. Pour fixer les idées, on peut considérer que, au rythme actuel, en deux siècles, nous
aurons consommé le capital d'énergie solaire accumulé pendant deux cent millions d'années !
Nous consommons donc les combustibles fossiles un million de fois plus vite qu'ils ne se sont
accumulés.
Les combustibles fossiles, ceux qui résultent de l'action du solaire ancien, sont des
hydrocarbures, c'est‐à‐dire des composés d'hydrogène et de carbone, en proportions variables :
très peu d'hydrogène pour le charbon (CH), un peu plus pour le pétrole (CH2) et encore plus
dans le cas du gaz naturel (CH4).
Le contenu énergétique des combustibles est exprimé par leur pouvoir calorifique, il s'agit
d'énergie sous forme chimique.
On distingue habituellement :
Charbon. Sur les continents et surtout durant le carbonifère, sous le climat très chaud et
très humide d'une atmosphère à effet de serre très marqué, des végétaux terrestres
(principalement du bois) ont pu s'accumuler massivement et se trouver recouverts d'eau
puis de boue et de sable. Ils se sont alors lentement transformés en acide humique puis en
bitume et finalement en charbon. Aujourd'hui, ce processus a encore lieu dans les
tourbières, mais bien plus lentement qu'à l'époque carbonifère.
Pétrole. Du plancton, ou des déchets organiques charriés par les rivières, se sont
accumulés dans les fonds des océans. Mélangés, à raison de 1 à 2% avec des matières
minérales et tassés par la formation des couches suivantes, ils forment la roche mère qui se
transforme progressivement en kérogène. Si le kérogène est dans les bonnes conditions de
pression et température, que l'on retrouve entre 2.200 et 3.800 mètres de profondeur, il se
transforme progressivement en pétrole par migration au travers de couches poreuses
filtrant les éléments lourds, jusqu'à son piégeage dans des roches réservoirs.
Gaz naturel. Comme le pétrole, le gaz est produit par la lente transformation du
kérogène. Mais, contrairement au pétrole, les conditions nécessaires à sa formation se
trouvent à une profondeur de 3 800 à 5 000 mètres.
En plus de ces combustibles fossiles conventionnels, il faut, pour être complet, faire encore
mention de combustibles fossiles non‐conventionnels :
Schistes bitumineux. Oil shale en anglais. Ils contiennent un mélange de schiste (ou de
sable) et de kérogène. Ce dernier doit encore être pyrolysé avant de fournir un combustible
ou carburant, ce qui consomme une quantité notable d'énergie.
Sables asphaltiques. Tar sands en anglais. Ils sont composés d'un mélange de sable (ou de
schiste) et de bitume. Le bitume, parfois en très faible proportion, doit encore être liquéfié
pour pouvoir le séparer du sable, ce qui consomme une quantité notable d'énergie.
Hydrates de méthane. Il s'agit de méthane (comme le gaz naturel) intimement associé à
des molécules d'eau. On en trouve dans le permafrost (sol perpétuellement gelé) ou dans
certaines abysses océanes. Comme il s'agit d'un puissant gaz à effet de serre, il y aurait un
grand risque à le libérer dans l'atmosphère. Faute de techniques adéquates de capture de ce
méthane « diffus », c'est ce qui risque pourtant de se produire avec la fonte du permafrost
provoquée par les changements climatiques.
Profitons‐en pour aborder un aspect important, trop souvent négligé, de l'extraction des
combustibles fossiles : l'autoconsommation. S'il faut une quantité appréciable d'énergie pour
extraire et raffiner un combustible ou un carburant à partir d'un gisement, un problème se
pose. S'il faut un kilo de pétrole pour produire un kilo de pétrole, il n'y a plus aucun intérêt à
procéder à l'opération, d'autant plus que l'on aura quand même transformé la totalité du
carbone contenu en CO2.
Cette question de la quantité d'énergie nécessaire pour extraire une quantité d'énergie donnée
(combien de tep pour extraire une tep par exemple) se pose d'ailleurs pour l'ensemble des
combustibles fossiles.
Au début, le pétrole jaillit parfois spontanément et il faut très peu d'énergie pour l'extraire.
Idem pour le gaz et même pour le charbon qui se trouve dans de grosses veines pas trop
profondément enfouies. Avec le temps et l'épuisement progressif des réserves, les choses se
gâtent et il faut de plus en plus d'énergie pour extraire le combustible fossile résiduel qui est
de moins en moins accessible. Malheureusement, cette consommation n'est généralement
pas reprise dans les statistiques internationales. Elle pourrait constituer une surprise
« cachée ».
9.4.3 Le solaire récent
Ce sont les formes d'énergie qui résultent de l'action du rayonnement solaire à une époque
récente (jusqu'à quelques années) : croissance de la végétation, évaporation de l'eau,
mouvements atmosphériques ou marins, etc.
On distingue habituellement :
La biomasse. Ce sont les arbres, les plantes, le phytoplancton, etc. C'est la forme d'énergie la
plus ancienne couramment utilisée par l'homme, depuis la découverte du feu. Il faut aussi
ranger dans cette catégorie les animaux et leurs excréments. L'énergie que représente la
biomasse est sa capacité à brûler, c'est son pouvoir calorifique.
LA BIOMASSE
•
La biomasse (ensemble de la matière
végétale) est une véritable réserve
d’énergie, captée à partir du soleil
grâce à la photosynthèse.La
biomasse peut produire de l’énergie
par combustion dans une chaudière.
Elle peut aussi produire par
méthanisation du biogaz, qui sera
converti en énergie. Des procédés
permettent aussi la production de
biocarburants à partir de colza ou
de betteraves (diester, méthanol…)
L'énergie hydraulique. C'est une conséquence du cycle de l'eau : évaporation, pluie et
écoulement depuis les hauteurs vers la mer. L'énergie hydraulique résulte d'une hauteur de
chute l'on peut trouver ou créer sur le trajet de son écoulement. On utilise souvent des
barrages pour effectuer cette récupération d'énergie.
ÉNERGIE HYDRAULIQUE
Énergie resultant du déplacement
ou de l’accumulation d’un fluide
incompressible comme l’eau
douce ou salée et l’huile. Les
énergies potentielle et cinétique
du fluid sont utilisées aussi.
Elle ne produit pas de polluants
mais pour l’exploiter il faut investir
une quantité considerable d’argent
Elle est issue du cycle de l’eau.
Ce déplacement produit un
travail mécanique ( est
transformée en énergie
mécanique) qui est soit:
 Directement utilisé sous
forme d’énergie mécanique
(moulins à eau)
 Converti en énergie
hydroélectrique (utilisé pour
produire de l’énergie
électrique)
Elle représente le 19% de la
productin totale d’électricité
L'énergie éolienne. C'est celle du vent, qui résulte des mouvements atmosphériques.
L'énergie est ici l'énergie cinétique du vent, celle due à sa vitesse (au carré d'ailleurs).
L'énergie solaire. On peut capter directement l'énergie du rayonnement solaire au
moyen de différents systèmes. Les panneaux photovoltaïques par exemple transforment
directement une partie de cette énergie en électricité. Les panneaux thermiques
récupèrent une partie de cette énergie sous forme de chaleur.
On peut encore mentionner le mouvement de surface des océans, les vagues ou la houle,
qui résulte du passage du vent et qui peut également produire de l'énergie. Enfin, on peut
citer les courants marins, qui sont une conséquence plus complexe du cycle de l'eau et du
réchauffement des océans par le soleil.
ÉNERGIE SOLAIRE
Est l’énergie que dispense le soleil par
son rayonnement direct ou diffus. Elle
est à l’origine du cycle de l’eau et du
vent. Les plantes l’utilisent por la
photosynthèse et le regne animal
depend de celui‐ci.
Elle peut être captée et
transformé en chaleur ou en
électricité grâce à des
capteurs adaptés
Il y a plusieurs types d’exploitation de cette énergie......
Solaire Thermique: Consiste à transformer le rayonnement solaire en
énergie thermique. Elle peut être utilisée pour chauffer directement. Les
rayons solaires sont concentrés dans un même endroit
Solaire passive: la plus ancienne utilisation, consiste à bénéficier de
l’apport direct du rayonnement solaire. Permet de faire des économies
d’énergie importantes
Solaire héliothermodynamique: Elle utilise le solaire thermique por
fabriquer de l’énergie électrique
Solaire Photovoltaïque: la transformation du rayonnement
solaire en énergie électrique par une cellule photovoltaïque.
Plusieurs cellules sont reliées dans des modules qui sont
regroupés pour former une installation solaire
Les systèmes de production d'énergie solaire ont un coût
proportionnel quasi nul : une fois l'installation de l'appareil
effectuée, l'énergie est produite par le Soleil, ce qui ne coûte rien. Il
faut cependant tenir compte des coûts d'entretien de l'appareil.
l'entretien est très peu coûteux et permet de faire des économies
substantielles de gaz ou d'électricité.
Les avantages
•C’est une énergie renouvelable qui contrairement à des idées reçues peut être utilisée
dans de nombreuses régions. L’intérêt de l’énergie solaire tient autant à
l’ensoleillement au m2 qu’à la durée de son utilisation (période de chauffage longue).
•C’est une énergie dont l’utilisation ne pollue pas l’atmosphère.
•Pour la production d’eau chaude sanitaire et pour le chauffage, les coûts d’installation
ne sont pas très élevés.
•Après avoir recouvré les coûts initiaux, l’énergie émanant du soleil est pratiquement
gratuite.
•Selon la façon dont l’énergie est utilisée, les périodes de récupération peuvent être
très courtes lorsqu’on les compare au coût des sources d’énergie généralement
utilisées.
Les systèmes héliotechniques et les autres systèmes d’énergie renouvelable peuvent
être autonomes. Il n’est pas nécessaire de les relier à un réseau électrique ou de gaz
naturel.
Le soleil fournit une alimentation quasi illimitée en énergie solaire.
L’utilisation de l’énergie solaire supplante l’énergie classique. Cela permet de diminuer
de façon significative les émissions des gaz à effet de serre.
L’énergie solaire est modulaire et adaptable aux besoins.
En fin de vie, les matériaux de base (cadre d'aluminium, verre, silicium, supports et
composants électroniques) peuvent tous être réutilisés ou recyclés.
Les limites
•La nuit, la source d’énergie n’existe plus, il faut donc prévoir des systèmes de stockage.
•La production d’électricité à partir du solaire est pour l'instant encore assez coûteuse
car les cellules photovoltaïques sont chères à fabriquer. La rentabilité économique des
projets dépend du prix de rachat de l’électricité
•personnel local à former pour l’installation, les réparations et la maintenance du
matériel
•manque d’infrastructures et d’installations permettant de distribuer et d’utiliser
l’électricité solaire produite.
•Le bilan énergétique du solaire est faible. Pour une durée de vie de 25 ans, la cellule ne
produit que quatre fois plus d’énergie qu’elle n’en a utilisé pour sa fabrication.
•Le rendement des panneaux solaires n’est pas très bon. Il est actuellement compris
entre 5 et 20%, selon le type de cellules de silicium utilisées.
•Pour remplacer les énergies fossiles, l’énergie solaire nécessite des surfaces
gigantesques.
9.4.4 Le non solaire
Dans la nature, on trouve également quelques formes d'énergie classiques non solaires.
Cependant leur importance est modeste comparée aux autres énergies primaires.
L'énergie géothermique. C'est l'énergie thermique qui se trouve sous la croûte terrestre. Elle
résulte de la chaleur produite par la désintégration nucléaire des isotopes radioactifs présents
dans l'intérieur de la Terre, augmentée de la chaleur résiduelle de formation de notre planète,
résultat des frictions et collisions des poussières qui se sont rassemblées pour la constituer. Les
isotopes radioactifs quant à eux sont des vestiges d'étoiles qui ont explosé à la fin de leur vie et
dont les résidus ont participé à la formation du système solaire.
ÉNERGIE GÉOTHERMIQUE
Énergie issue de la chaleur du
sous‐sol de la Terre produite par la
présence du magma en –dessous
de la croûte terrestre.
À haute énergie (150°‐400°): production
d’électricité.
La géothermie est la récuperation
de cette chaleur dans le sol.
À basse énergie(70°‐150°): production
de chaleur.
Il y a 3 types de géothermie:
À très basse énergie(20°‐50°):
production de chaleur.
C’est une énergie renouvelable à
condition que l’eau chaude
souterraine soit exploitée avec
modération, car elle ne se
rechauffe que lentement.
L'énergie des marées. Elle est prise sur l'énergie de rotation du système Terre‐Lune et
même Terre‐Lune‐Soleil. C'est la différence de la force d'attraction de la Lune (et du Soleil)
sur les océans (principalement), selon qu'ils sont du côté de la Lune ou du côté opposé, qui
provoque le phénomène de marées.
9.5 Les formes relativistes des énergies primaires
Depuis le début du XXème siècle, on sait que matière et énergie sont liées par la relation
E = m.c2 (équation d'Einstein). L'énergie est égale au produit de la masse par le carré de la
vitesse de la lumière. Ainsi, un kep d'énergie (42MJ) correspond à une masse de 46,7
millionièmes d'un milliardième de gramme. C'est en raison de l'extrême petitesse de cette
valeur que cette équivalence a été découverte si tardivement.
En parallèle, des mesures extrêmement précises ont permis de découvrir
que lorsqu'on brise un noyau lourd (l'Uranium 235 par exemple), la masse
totale des morceaux (rubidium 93, césium 140 et deux neutrons par
exemple) est plus petite que la masse du noyau initial. C'est cette masse
disparue lors de la désintégration du noyau lourd que l'on retrouve sous
forme d'énergie. Ce processus (la fission nucléaire) est à la base de la
bombe atomique de Hiroshima, de la radioactivité naturelle (importante
source de chaleur dans manteau de la Terre) aussi bien que des centrales
nucléaires actuelles.
Mais on a également remarqué que lorsqu'on arrive à « fusionner » des
noyaux légers (deux noyaux de deutérium par exemple), la masse
diminue : la masse obtenue (de l'hélium 3 et un neutron par exemple) est
plus petite que la somme des masses des noyaux de départs. Là aussi, cet
écart de masse est libéré sous forme d'énergie. Ce principe est à la base de
l'énergie rayonnée par le soleil, des bombes à hydrogène, mais aussi du
fameux projet ITER, dans lequel certains scientifiques entrevoient l'avenir
énergétique lointain de l'humanité.
Si la fission existe à l'état naturel sur Terre, il n'en est pas de même de la fusion, qui se rencontre
essentiellement dans les étoiles.
Pour qualifier ces écarts de masse, on parle de défaut de masse qui, en vertu de l'équation
d'Einstein, est la cause du caractère exothermique des réactions nucléaires de fission des
noyaux lourds et de fusion des noyaux légers.
ENERGIE NUCLÉAIRE
Il existe 2 types d'énergie
nucléaire:
° fission‐ est employée dans les
bombes A et dans les centrales
nucléaires.
° fusion‐ est utilisée par les étoiles
pour rayonner de l'énergie.
L'énergie nucléaire recouvre:
° des applications civiles (production
d'électricité, de chaleur, d'eau
douce, de radio‐isotopes, propulsion
navale)
° des applications militaires (armes
nucléaires, propulsion navale).
Les applications de l'énergie nucléaire concernent, pour l'essentiel:
° la production d'électricité dans des centrales nucléaires
° la propulsion navale (principalement pour les flottes militaires, dans les sous‐marins et
les porte‐avions).
° production d'isotopes radioactifs utilisés dans l'industrie (radiographie de soudure par
exemple) et en médecine (médecine nucléaire et radiothérapie).
° La production de chaleur pour alimenter un réseau de chauffage, le dessalement de l'eau
de mer ou la production d'hydrogène.
Les inconvénients de l'énergie nucléaire sont:
° des risques d’accident nucléaire grave sur un réacteur nucléaire ou au cours du cycle du
combustible
° de problèmes non résolus liés à la gestion à long terme des déchets radioactifs
° du risque de terrorisme nucléaire; pour l'utiliser comme toxique ou pour fabriquer une
«bombe».
° du coût économique de la filière de production de l'électricité nucléaire.
L'énergie nucléaire est produite dans un réacteur nucléaire
Cette machine a la capacité impressionnante d'amorcer, de
contrôler et de maintenir une réaction en chaîne.
9.6 Les énergies secondaires
On parle aussi de vecteurs énergétiques c'est à dire de formes d'énergie, autres que les
énergies primaires, et qui servent d'intermédiaires ou sont utilisées pour la consommation
finale.
On utilise une énergie secondaire parce qu'elle est plus « pratique » que la forme primaire (ou
qu'une autre forme d'énergie secondaire). Les lois de la physique, et en particulier de la
thermodynamique, précisent toutefois que la quantité d'énergie secondaire produite par la
transformation est toujours inférieure à la quantité d'énergie primaire utilisée pour la
transformation. Il y a toujours une perte, plus ou moins importante, dissipée sous forme de
chaleur qui n'a plus d'utilité. Cette dissipation dépasse habituellement les 50% lorsque l'on
passe d'une énergie thermique à une énergie électrique ou mécanique. Ce n'est pas toujours
la maladresse des ingénieurs qui explique ces pertes mais ce sont souvent des lois de la
physique.
En raison de la très grande variété des énergies secondaires et du peu d'intérêt de la chose
dans le cadre de notre étude, nous ne tenterons pas d'en dresser une liste exhaustive.
A titre d'exemple, on citera cependant quelques formes d'énergies secondaires :
L'électricité est produite essentiellement dans des centrales électriques (thermiques,
nucléaires ou hydrauliques) dans lesquelles une machine tournante entraîne un alternateur.
Le grand avantage de l'électricité est qu'elle est aisément transportable et facilement
utilisable par des milliers d'équipements de toutes natures. Elle est tellement courante dans
notre environnement que nous n'y prêtons plus vraiment attention. Son gros inconvénient est
qu'elle est difficilement stockable. Les meilleures solutions étant probablement le stockage
dans des barrages‐centrales hydrauliques (pompage‐turbinage) et le stockage dans des
batteries, selon les quantités que l'on désire stocker. De plus, le transport de l'électricité par
lignes électriques, sous forme de courant alternatif, peut difficilement dépasser 1 000 ou 1
500 km sans que les pertes ne deviennent excessives.
L'hydrogène ‐ énergie du futur ? ‐ peut‐être obtenu à partir de l'électricité, par hydrolyse, où
à partir d'hydrocarbures, par reformage. Il faut ensuite le comprimer ou le liquéfier puis le
transporter pour finalement l'utiliser, généralement dans une pile à combustible qui restitue
de… l'électricité (avec, comme d'habitude, des pertes à toutes les étapes de la chaîne). Est‐ce
une énergie secondaire « pratique » ? L'avenir nous le dira. Cependant, on sous‐estime
souvent la dangerosité de ce gaz, très explosif en présence d'air.
L'essence, le gasoil, le fioul de chauffage, le kérosène, etc. Ce sont des carburants produits
dans des raffineries, le plus souvent à partir de la transformation du pétrole.
Le coke, obtenu à partir du charbon dans des cokeries.
10 Stockage et transport des énergies
L’énergie ne se prête au stockage en quantité appréciable que sous certaines de ses formes.
Sa mise en réserve et sa récupération impliquent donc des transformations, et par suite de la
dissipation.
L’énergie électrique peut être emmagasinée dans des accumulateurs, sous forme d’énergie
chimique. Mais la décharge d’un accumulateur fournit moins d’énergie électrique que sa
charge, car les réactions électrochimiques s’accompagnent d’une assez forte dégradation en
chaleur. De plus, les accumulateurs sont coûteux et lourds, puisqu’ils n’emmagasinent que 0,1
kWh par kg, ce qui est, avec le prix, la principale entrave au développement de la voiture
électrique.
Nos besoins en puissance électrique varient avec l’heure, en croissant par exemple rapidement
le soir ; et les centrales nucléaires ont du mal à suivre ces changements. Étant donné la
faiblesse des pertes de chaleur dans les échanges électromécaniques, on a imaginé d’utiliser
les barrages non seulement comme sources d’énergie hydroélectrique, mais aussi comme
réservoirs d’énergie. En heures creuses, l’eau est pompée du bas du barrage vers la retenue par
emploi d’énergie électronucléaire, et en heures de pointe, cette eau redescend, actionne les
turbines de l’usine et l’on récupère de l’électricité.
Puisque cette forme de stockage passe par de l’énergie mécanique, elle nécessite de brasser de
fortes masses d’eau, plusieurs tonnes par kWh emmagasiné.
Les carburants, chimiques ou nucléaires, emmagasinent efficacement de l’énergie. Mais nous ne
savons, en pareil cas, récupérer celle‐ci que sous forme de chaleur.
Emmagasinées dans la matière
– Carburants , gaz, uranium 238, …
Emmagasinée à partir de transformation de la matière
– Hydrogène extraite de l’eau par électrolyse
Emmagasinée dans des dispositifs de stockage
–
–
–
–
Barrage
Ballon d’eau chaude
Ressort
condensateur chargé
On demande à un système de transport de l'énergie de déplacer le minimum de matière, d'être
facile à distribuer (un fluide est préférable à un solide), et d'avoir un rendement maximal, c'est‐
à‐dire de consommer le minimum d'énergie pour une quantité donnée à transporter.
Différents systèmes ont été proposés, on ne saurait tous les énumérer. Les deux solutions
actuellement retenues sont essentiellement :
 le transport sous forme d'énergie électromagnétique pour les installations fixes ;
 le transport de combustible chimique : fuel, essence, gaz naturel, etc., en particulier pour les
installations mobiles (moteurs de véhicules).
La relative facilité de stockage et aussi de transport sur de grandes distances du charbon, du
pétrole et du gaz a été l’un des facteurs primordiaux du développement de l’industrie depuis
deux siècles.
L’essor de l’automobile repose aussi sur la possibilité d’emporter avec soi assez de carburant
pour parcourir plusieurs centaines de kilomètres.
Mais l’électricité est la seule forme d’énergie susceptible d’être à la fois transformée en quasi‐
totalité en n’importe laquelle des autres, et transportée au loin en grande quantité à un coût
relativement faible. Les pertes de chaleur dans les lignes à haute tension et les transformateurs
atteignent cependant 8%.