J'ai écrit un article s'intitulant Energie et Puissance au mois de mars et un lecteur averti (S.B.) vient de me faire quelques remarques comme quoi mon introduction à l'énergie n'était pas tout à fait exacte et m'a apporté quelques informations complémentaires. Je me permets donc de refaire un petit article énergie en citant les différents apports de S.B.
Ensuite vient la notion d'énergie : on appelle énergie toute quantité de travail emmagasinée. L'énergie n'est qu'une capacité de travail stockée. Donc, par définition, toute variation d'énergie correspond à du travail fourni ou reçu (et c'est pour cela que l'énergie se mesure en unité de travail qui est le joule).
Lorsque vous déplacez une pomme sur une table de 50cm, vous fournissez un travail égale au produit de la force que vous avez exercée sur la pomme (disons 2 Newtons) par le déplacement engendré (50 cm = 0,5m), c'est à dire un travail de 2 * 0,5 = 1 Joule. Vous avez donc engendré une variation d'énergie (vous avez perdu 1 Joule et la pomme a gagné 1 Joule ce qui a permis son déplacement).
Cette notion de capacité de travail stocké a été difficile à isoler pour plusieurs raisons :
- Elle n'est pas en totalité récupérable sous forme de travail pour notre usage (second principe de la thermodynamique). Cela signifie que certains phénomènes ne sont pas réversibles car il y a eu pendant une transformation des frottements ou des phénomènes de répartition. Si vous prenez une cuve séparée en 2 par une paroi étanche avec à droite un liquide rouge et à gauche un liquide jaune et que vous retirez la paroi, les 2 liquides vont se mélanger de manière homogène pour faire du orange et vous pouvez attendre très longtemps avant de voir les 2 liquides se reséparer (phénomène irréversible).
- Elle préexiste à la notion physique de travail et, évidemment, au "travail" musculaire (énergie chimique) de l'être humain ou des animaux de trait qui en sont à l'origine. L'énergie potentielle d'une chute d'eau, l'énergie rayonnante du soleil ou l'énergie chimique fossile (charbon, pétrole) existent indépendamment de nos besoins en travail. Leur unification sous un même concept a pris du temps à émerger bien après les notions de mouvement, de force, de travail et même de quantité de mouvement (Descartes).
Les façons dont le travail est emmagasiné sont très variées. On les appelle "formes" d'énergie, à savoir : énergie mécanique (potentielle et cinétique), thermique, chimique, électrique, rayonnante, nucléaire (E=mc²), solaire, éolienne, etc.. Les énergies mécaniques (cinétique et potentielle) furent les premières comprises au 17ème siècle sous les noms de "force vive" et "force morte". Notons que l'énergie thermique n'est que de l'énergie cinétique d'agitation moléculaire de translation, de rotation et de vibration propre. On l'appelle couramment chaleur.
Expérimentalement, et en général en fournissant ou en récupérant du travail et de la chaleur, on peut faire passer de l'énergie d'un magasin à l'autre (d'une "forme" à une autre). Evidemment, le physicien regarde avec une affection particulière un passage qui permet une récupération de travail. Donnons des exemples divers :
- L'énergie mécanique potentielle du poids d'une horloge se transforme en travail, en énergie cinétique et en chaleur.
- Une masse qui tombe sous l'action de la gravité et qui s'écrase au sol, transforme toute son énergie cinétique (1/2 mv²) en chaleur. Il en est de même de tout mobile qui s'arrête : voiture à un feu rouge, train en gare, avion qui atterrit etc.
- Un moteur à explosion, un réacteur d'avion ou de fusée, transforme de l'énergie chimique (combustion d'essence ou de poudres) en énergie mécanique et en chaleur.
- Un foyer dans une cheminée transforme l'énergie chimique (combustion) en chaleur (agitation moléculaire de l'air) et en rayonnement (infrarouge et lumière). Le rayonnement infrarouge (photons) agit à son tour sur les molécules pour les agiter (chaleur).
- Un lac (énergie potentielle) devient une chute d'eau (énergie cinétique de translation) qui fait tourner une turbine (énergie cinétique de rotation) solidaire d'un alternateur qui produit de l' énergie électrique qu'on transforme en énergie thermique (radiateurs), en énergie mécanique (moteur), en énergie rayonnante (éclairage), en énergie chimique potentielle (charge d'un accumulateur, électrolyse de l'eau en hydrogène et oxygène, etc.)
- La pile (Volta, Leclanché,...) transforme l'énergie chimique (différence de potentiels d'oxydo-réduction) en énergie électrique.
- Un cas pur est celui du pendule simple sans frottement où, en permanence et à chaque balancement, toute l'énergie potentielle (mgL(1-cosθ)) (quand il est au plus haut à vitesse nulle) se transforme totalement en énergie cinétique (1/2 mv²) quand il est au plus bas. Evidemment ce cas n'existe pas dans la réalité à cause des frottement avec l'air. Sinon, ce système serait un système fournissant un mouvement perpétuel.
- Les réacteurs nucléaires et les accélérateurs de particules transforment de la matière en énergie (fission) et de l'énergie rayonnante en matière (création de particules).
Une longue expérience, accumulée depuis le 17ème siècle (Descartes, Newton, Young, Carnot, Clausius, Gibbs, Einstein, ...) a permis de dégager un principe de conservation des plus importants et qui s'énonce ainsi : l'énergie totale d'un système isolé se conserve.
Evidemment, le plus utile pour l'homme est la part d'énergie dite "libre", c'est à dire récupérable sous forme de travail "utile". Mais, messieurs Carnot et Clausius sont passés par là pour nous indiquer les limites de nos ambitions.
Avec l'ère électronique, on s'approche de l'usage énergétique du vivant qui ajoute l'information (la "néguentropie" chère à Léon Brillouin) au travail mécanique musculaire. La part d'énergie électrique consommée par les radios, télévisions, ordinateurs, téléphones (fixes ou cellulaires), caméscopes, lecteurs de CD/DVD, balladeurs, GPS, ... transmet, ou produit, de l'information sans passer par du travail mécanique (si ce n'est celui des doigts qui enfoncent des touches).
Il est sans doute nécessaire d'évoquer le coeur de la question : les énergies de liaison liées aux interactions électromagnétique, forte et faible et à leur quantification par leurs particules messagères (photons, gluons et bosons). L'énergie de gravitation, considérable lorsque qu'une étoile gigantesque est morcellée, disloquée et déglutie par le trou noir qui l'absorbe (nos télescopes viennent de le voir "en direct" il y a quelques semaines), est totalement négligeable au niveau subatomique. Alors, on ne sait pas trop quoi faire de cette force (et énergie) de gravitation dans le modèle standard. Néanmoins, les échanges d'énergie entre matière et rayonnement sont quantifiés (électrodynamique quantique) et la matière (l'inertie de l'énergie) l'est également (les particules "élémentaires" sont probablement en nombre fini avec des masses au repos assez bien déterminée). Cette réalité, ou ce mystère, peut difficilement être passée sous silence.