a21 les formes energie

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Cours Chapitre A2-1
LES DIFFÉRENTES FORMES D'ÉNERGIE
OBJECTIFS
- Appréhender la notion d'énergie.
- Connaître les propriétés générales de l'énergie.
- Décrire les diverses formes d'énergie.
I- L'ÉNERGIE ET L'HISTOIRE
1- Qu'est-ce que l'énergie ?
Dans la Grèce antique, plusieurs siècles avant Jésus-Christ, energeia voulait dire « en
travail », « en action ». Le français a conservé cette signification. L’énergie, c’est au
quotidien une force en action.
- Un coup de pied dans un ballon de football produit un mouvement du ballon vers le
partenaire. La force de la passe a donné son énergie au ballon.
- La flamme de la cuisinière à gaz fournit l’énergie nécessaire à l’eau de cuisson.
- L’énergie produite par les réacteurs d’un avion lui permet de voler.
- L’énergie d’une chute d’eau permet de fabriquer de l’électricité.
- L’énergie lumineuse du soleil alimente la croissance des plantes.
On peut donc en déduire une première définition simple :
L'énergie caractérise la capacité à produire des actions, par exemple à engendrer du
mouvement, modifier la température d'un corps ou à transformer la matière. L'énergie
provient de différentes sources que l'on trouve dans la nature : le bois, le charbon, le
pétrole, le gaz, le vent, le rayonnement solaire, les chutes d'eau, l'uranium.
Elle peut prendre différentes formes : chaleur, énergie musculaire, énergie mécanique,
chimique, énergie électrique par exemple. Ses formes multiples peuvent se transformer
l'une en l'autre.
2- Histoire de l'énergie
De l’origine des temps à nos jours, l’humanité a toujours été animée par la volonté
d’utiliser toutes les ressources de la nature pour rendre sa vie plus facile ou plus agréable.
Quelle est la forme d’énergie la plus ancienne utilisée
par l’homme ? C’est sans aucun doute le feu !
Nos lointains ancêtres ont appris à utiliser le bois pour
se chauffer et faire cuire les aliments.
L’énergie de la biomasse, c'est-à-dire l’énergie
mobilisée sous forme chimique par les êtres vivants,
venait de trouver ses premières applications.
Ensuite, vient le vent ! On date les premiers bateaux à
voile de 3 000 ans avant Jésus-Christ.
L’utilisation de l’énergie éolienne venait de naître. Les
premiers moulins à vent font leur apparition chez les
Perses, vers 200 avant Jésus-Christ. Ce n’est qu’au
XIIe siècle que cette technologie sera importée en
Europe, mille ans plus tard.
Au XIVe siècle fleuriront les célèbres moulins
hollandais servant principalement à moudre le grain
ou à pomper de l’eau. Les Hollandais, en particulier,
les utilisaient pour assécher leurs polders (terres
gagnées sur la mer). Mais aussi pour faire tourner des
scieries ou encore fabriquer de l’huile.
De son côté, l’Angleterre a perfectionné la forme des
ailes, à partir de calculs scientifiques. Au XIXe siècle,
l’Angleterre comptait près de 10 000 moulins. Les
petites éoliennes des campagnes, utilisées pour
pomper de l’eau, ont fait leur apparition au XIXe
siècle. Dotées de nombreuses pales et de petit
diamètre, elles n’ont pas grand-chose à voir avec les
éoliennes modernes.

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Après l’air… l’eau !
Cousins des moulins à vent, les moulins à eau
remontent également à l’Antiquité. Ils sont les premiers
représentants de la domestication de l’énergie
hydraulique. On les utilisait pour les mêmes besoins
que les moulins à vent.
Les barrages existent aussi depuis très longtemps. Le
premier aurait été construit en Egypte par le pharaon
Ménès en 2900 avant Jésus-Christ. Mais ils servaient à
stocker de l’eau pour les cultures et la consommation
humaine et animale. Ce n’est qu’après la découverte de
l’électricité qu’ils ont servi à produire de l’énergie.
Ces sources d’énergie anciennes restent plus que jamais
utilisées de nos jours, avec des technologies plus
performantes. Mais d’autres formes sont entrées en scène,
les énergies modernes. Modernes, oui, même si elles ne
sont plus toutes jeunes. Ce sont d’abord les énergies qui
ont permis les deux grandes révolutions industrielles : le
charbon (de bois dans un premier temps), au XIXe siècle,
et le pétrole (et le gaz) au XXe siècle.
C’est grâce à ces combustibles fossiles qu’on a pu, dans
les pays riches, mettre à la disposition de tout le monde
des quantités d’énergie telles qu’elles ont énormément
changé la vie de tous.
Enfin, la découverte de la radioactivité naturelle en 1896
a ouvert la voie à la maîtrise de l’atome. L'énergie
nucléaire de fission était née. Il s'agit de casser de très
gros atomes d’uranium pour libérer de l’énergie. Pour les
pays qui ont fait ce choix (comme la France) c'est un
moyen important de produire de l’électricité. Cette
énergie est la plus récente, les premières centrales
nucléaires datent en effet des années 1950.
3- Les sources d'énergie en devenir
L'utilisation de l’énergie solaire est encore plus récente
(début des années 1970). Curieusement, la découverte de
la transformation de lumière du soleil en courant
électrique (l’effet photovoltaïque : la transformation de
lumière du soleil en courant électrique) est plus ancienne
que celle de la radioactivité, puisqu’elle date de 1839.
Mais les industriels ont attendu le premier choc pétrolier
de 1973 avant de s’y intéresser sérieusement.
Avec la géothermie, on utilise les eaux du sous-sol
profond, naturellement chaudes ou très chaudes, pour les
besoins du chauffage ou de la production d’électricité.
Même si Astérix et César connaissaient déjà les sources
chaudes, ils s’en servaient plutôt pour leurs bains.
L’utilisation de la géothermie comme source d’énergie date
de la deuxième moitié du XXe siècle, comme pour
l’énergie solaire
3- Les énergies non apprivoisées
L’électricité sauvage, d’abord, autrement dit la foudre.
Un éclair déborde d’énergie furieuse. Malheureusement,
et malgré des tentatives qui ont échoué, on ne sait pas la
récupérer. Elle est trop intense et trop brutale, et en plus
on ne sait prévoir ni où ni quand elle va tomber. Tout au
plus on parvient, grâce aux paratonnerres, à la dévier des
maisons ou des bâtiments où elle pourrait faire des
ravages.
Les marées, courants marins et vagues de l’océan
possèdent une formidable énergie, mais on ne sait
pas comment la capter de manière rentable. Des
recherches se poursuivent. Il existe une seule usine
produisant de l’électricité à une échelle industrielle
grâce à l’énergie des marées, et elle est en France.
C’est l’usine marémotrice de la Rance, en Bretagne.
La différence de température entre la surface et le

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fond des océans permet aussi théoriquement de
produire de l’électricité. Mais cette énergie
thermique des océans paraît bien trop difficile et
coûteuse à récupérer.
La source d’énergie inépuisable existe peut-être. C’est la
fusion nucléaire, l’énergie des étoiles, la transformation de
deux tous petits atomes d’hydrogène en un atome
d’hélium à peine plus gros. Et avec une énorme libération
d’énergie quand ce sont des milliards et des milliards
d’atomes qui fusionnent ! L’hydrogène est présent en
grandes quantités sur terre, c’est l’un des composants de
l’eau ; cette source d’énergie serait ainsi abondante, et
pour très, très longtemps. Pour l’instant, on en est au stade
de la recherche, mais c’est tellement difficile à réaliser
techniquement qu’on ne sait pas si on y parviendra un
jour. En attendant, les militaires, eux, savent libérer cette
énergie, mais sans pouvoir la contrôler : c’est la bombe H
(la bombe à hydrogène), qu’on ne peut malheureusement
pas utiliser à des fins civiles, pour faire de l’électricité par
exemple.
II- LES PROPRIÉTÉS DE L'ÉNERGIE
1- L'énergie est plus ou moins grande
L'existence de l'énergie peut apparaître sous des masques divers et on peut ainsi sentir de
quelle manière elle dépend de la situation.
 Une voiture possède une énergie d'autant plus élevée qu'elle roule plus vite ; cette
énergie est inférieure à celle d'un camion allant à la même vitesse.
 Un ressort, lorsqu'il est comprimé, a une énergie plus grande que lorsqu'il est détendu.
 L'énergie d'une pile électrique avant sa mise en service est plus grande que lorsqu'elle
est déchargée.
 L'énergie d'une casserole d'eau augmente lorsqu'on la chauffe.
L'énergie se présente ainsi sous des formes très diverses. Pour chacune d'entre elles, les
comparaisons effectuées montrent que l'énergie d'un système physique dépend de l'état
dans lequel il se trouve. Dans les exemples ci-dessus, cet état est caractérisé par la vitesse et
la masse du véhicule, la déformation du ressort, la charge. Nous allons le voir, les divers
types d'énergie peuvent, au moins partiellement, prendre bien d'autres formes.
Ces transformations de l'énergie sont utilisées dans la vie courante, mais chacune d'entre
elles génère des pertes.
2- L'énergie se transforme
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.
3- L'énergie se conserve
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

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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.
4- L'énergie se mesure
C’est la propriété de conservation de l’énergie qui nous permet de mesurer, à l’aide d’une
seule et même unité, les diverses formes de l’énergie.
L’énergie, dite cinétique, associée au mouvement d’un objet de masse “m” et de vitesse “v”
vaut E = 1/2 mv
2
; lorsque la masse est exprimée en kilogrammes et la vitesse en mètres
par seconde, cette formule donne l’énergie en joules (J), unité légale dans le système
international.
À l’époque où l’on n’avait pas encore reconnu que la chaleur était une forme de l’énergie,
l’étude des échanges thermiques avait conduit à introduire une unité de chaleur, la calorie,
définie comme la quantité de chaleur à fournir à 1 gramme d’eau pour élever sa
température de 1 degré Celsius.
L’expérience a montré que les transformations d’énergie mécanique en chaleur, ainsi que
les transformations inverses, se faisaient toujours avec le même rapport, à savoir 1
calorie pour 4,18 joules. Il y a donc équivalence entre ces deux formes d’énergie
(mécanique et chaleur).
Ceci a permis d’abandonner la calorie et de mesurer la chaleur et toutes les autres formes
d’énergie, en joules.
5- La puissance
La puissance caractérise la vitesse de transfert d'une énergie.
Pour un échange continu d'énergie on a :
Lorsque la vitesse de transfert d'énergie n'est pas constante, on considère de petits instants
∆t durant lesquels la variation d'énergie ∆W peut être considéré comme linéaire.
On a alors :
W
P
t
∆
=
∆
.
En Mathématique, on dira :
La puissance est la dérivée de l'énergie par rapport au temps :
dW
P
dt
=
.
III- LES DIFFÉRENTES FORMES D'ÉNERGIE
1- Introduction
L’énergie issue de ses sources peut se manifester de différentes façons. On parle alors de
formes d’énergie.
Toutes ces formes d’énergie ont une
caractéristique qui nous intéresse
particulièrement dans notre vie
quotidienne : elles peuvent se
transformer, on dit aussi se convertir
d’un type à un autre.
Observons, par exemple, les
transformations d'énergie dans un
véhicule automobile :
2- L'énergie de rayonnement
Un rayonnement transporte de l’énergie, même à travers le vide.
Le Soleil émet une puissance totale de 386 milliards de
milliards de mégawatts soit 386.10
24
W (fusion nucléaire
Hydrogène → Hélium). IL transmet, à la surface de la terre
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. Dans le filament d’une ampoule
électrique, l’énergie électrique se transforme en chaleur, puis cette chaleur est évacuée
principalement sous forme d’énergie radiative, lumineuse et infrarouge. Un four à micro-
ondes communique de la chaleur aux aliments à partir d’une énergie électrique, par
l’intermédiaire d’un rayonnement dit de micro-ondes, analogue à celui d’un radar.
Inversement, on peut convertir en énergie électrique une partie de l’énergie lumineuse en
provenance du Soleil à l’aide de photopiles solaires. Les ondes radio transportent aussi une
énergie, certes faible, mais suffisante pour véhiculer du son, des images ou de
l’information.
W
P
t
=
puissance en
Watt (W)
énergie en
Joule (J)
temps en
seconde (J)

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3- L'énergie thermique
À l’échelle atomique, la chaleur se traduit par un mouvement désordonné et plus ou moins
rapide des molécules. À 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). Elle peut se transférer de proche en proche sans se transformer en une autre forme
d’énergie (conduction calorifique). Elle peut aussi se convertir en énergie mécanique, dans
une turbine, une machine à vapeur, ou un réacteur d’avion, mais nous verrons que cette
conversion ne peut être que partielle.
Prenons l'exemple de l'eau :
Il faut de l'énergie pour chauffer l'eau : pour augmenter de 1°C une masse d'eau de 1kg il
faut W = 4185J. On dit que l'eau a une chaleur massique
1 1
C 4185J.kg .K
− −
=
La relation est :
W m.C. T
= ∆
(m masse en kg ; ∆T variation température en K ou °C)
On rappelle que: degré K = degré C° + 273,15
→
→→
→ Faire l'exercice 1
4- L'énergie électrique
Les particules chargées exercent les unes sur les autres des forces électriques. De même
qu’une énergie potentielle de gravitation était 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. Une énergie électrique peut
se transformer en chaleur dans une résistance (radiateur, réchaud) ou en travail dans un
moteur.
Voici quelques exemples d'énergie électrique :
 La résistance électrique en courant continu :
2
W RI .t
= (W en joule ; R en Ohm ; I en ampère et t en seconde)
L'énergie électrique est transformée en chaleur.
 Le condensateur :
2
1
W CU
2
=
(W en joule ; C en farad et U en volt)
L'énergie électrique est accumulée (inertie de la tension).
 L'inductance :
2
1
W LI
2
=
(W en joule ; L en henry et I en ampère)
L'énergie électrique est accumulée (inertie du courant).
 Le déplacement d'une charge électrique :
Pour déplacer une charge électrique q d'un potentiel V
A
vers un potentiel V
B
il faut
fournir l'énergie :
A B
W q(V V )
= −
(W en joule ; q en coulomb et V en volt)
L'énergie électrique est accumulée (énergie potentielle).
5- L'énergie chimique
L’énergie chimique est stockée dans des corps chimiques, des molécules, qui ont eu besoin
d’apports d’énergie importants pour être créés. Par exemple, 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.
L'hydrogène (H
2
) peut être utilisé directement comme combustible (3 fois plus énergétique
que l'essence à même masse) mais aussi pour produire de l'électricité (pile à hydrogène).
Prenons l'exemple de la batterie d'accumulateurs (tension U):
La capacité de stockage d'énergie W
A.h
sous forme chimique
est donnée en Ampère.heure (exemple 70A.h).
Traduisons cette donnée en Joule :
J heure
W UI.t UI.t 3600
= = × ⇒
J A.h
W W U 3600
= × ×
.
Quelques chiffres d'énergie massique:
Accumulateur au plomb → 30 Wh/kg
Accumulateur Lithium-ion → 151 Wh/kg
Accumulateur Lithium polymère → 185 Wh/kg
Super SP98 → 10 kWh/kg
Hydrogène → 40 kWh/kg
→
→→
→ Faire l'exercice 2
6- L'énergie mécanique
 L'énergie cinétique