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%.