Les Sciences - programme de cinquième
Physique-chimie, sciences de la vie et de la Terre, technologie
Leçon 6 - L’énergie : sources, formes et conversions
D’où vient l’énergie, sous quelles formes elle se présente, et comment elle se transforme
L’énergie : sources, formes et conversions
Physique-chimie - classe de 5e
Sixième cours de la série de physique-chimie. Il fait suite au cours consacré au circuit électrique : le courant y était décrit, l’énergie qu’il transporte est étudiée ici.
Ce que tu vas découvrir
- Une grandeur qui échappe au regard - l’énergie et le joule
- Les habits de l’énergie - les formes et leurs signes
- D’où vient l’énergie - sources, vecteurs, réserves
- Elle passe, et elle change - transferts, conversions, chaînes énergétiques
- Rien ne se perd - conservation, pertes et rendement
- L’électricité, du barrage à la prise - produire, transporter, stocker
Une grandeur qui échappe au regard
Elle ne se voit pas, elle ne se pèse pas, et pourtant elle se compte.
Voici une chose déroutante : le mot « énergie » est employé chaque jour, dans les publicités, dans les journaux, à la maison, et pourtant personne n’en a tenu dans sa main. Impossible de la mettre en flacon, impossible de la photographier. Les physiciens eux-mêmes ne la voient pas. Ils en mesurent la quantité, ils suivent ses déplacements, ils prédisent ce qu’elle produira, mais ils ne la voient pas davantage.
Comment étudier ce qui reste invisible ? En observant ses effets. Une bille qui part, un fer qui rougit, une pièce qui s’éclaire : chaque fois, quelque chose a été fourni. Ce quelque chose porte un nom, et ce nom se mesure.
Cinq signes qui ne trompent pas
Reprends les cinq vignettes ci-dessus. Un chariot se met à rouler : il a fallu le pousser. Une casserole d’eau s’échauffe : il a fallu allumer le gaz. Une lampe brille : il a fallu la brancher. Un ressort se comprime : il a fallu appuyer. Un haut-parleur émet un son : il a fallu l’alimenter. Dans les cinq cas, un même constat s’impose : l’effet n’est pas venu de lui-même. Ce qui a dû être fourni porte le nom d’énergie.
L’énergie est une grandeur physique qui mesure ce qu’un système est capable de produire : mettre en mouvement, élever la température, émettre de la lumière, déformer un objet, émettre un son.
Son unité de mesure est le joule, dont le symbole est J.
Le joule est une unité minuscule à l’échelle de la vie quotidienne. Une pomme d’une centaine de grammes qui tombe d’un mètre de haut libère environ un joule. Un enfant de quarante kilogrammes qui monte un étage en dépense un peu plus de mille. Autant dire que le joule seul suffit rarement : les valeurs usuelles se comptent en milliers, en millions, parfois en milliards de joules.
James Prescott Joule naît le 24 décembre 1818 à Salford, près de Manchester. Son père est un riche brasseur, et le fils travaille dans l’entreprise familiale. Il n’a pas fréquenté l’université : la science est d’abord pour lui une occupation de soirée, menée avec les instruments et les cuves de la brasserie.
Une question le tient : quand une machine frotte, quand une eau est remuée, la chaleur qui apparaît a-t-elle un rapport chiffrable avec l’effort fourni ? Il construit alors un appareil devenu célèbre. Des poids descendent lentement et, par un jeu de cordes, font tourner des palettes plongées dans un récipient d’eau soigneusement isolé. L’eau s’échauffe. Joule mesure cette élévation, qui se compte en fractions de degré : il lui faut des thermomètres d’une finesse peu commune, qu’il fait fabriquer sur mesure.
En 1845, il présente ce travail devant la British Association, réunie à Cambridge. L’auditoire écoute poliment ce brasseur sans titre. Ses mesures, pourtant, sont reprises et affinées jusqu’en 1850, et elles disent quelque chose de considérable : une même quantité de travail mécanique produit une même quantité de chaleur. Le mouvement et la chaleur ne sont pas deux mondes séparés, ils se comptent dans la même unité. Cette unité porte aujourd’hui son nom.
Énergie et puissance : deux mots voisins, deux idées distinctes
Une confusion revient sans cesse, et il vaut mieux la lever tout de suite. L’énergie répond à la question « combien ? ». La puissance, elle, répond à la question « à quelle vitesse ? ». Une petite lampe et un radiateur peuvent consommer la même énergie : le radiateur l’absorbe en quelques minutes, la lampe met des heures. La puissance se mesure en watts : un appareil d’un watt reçoit un joule chaque seconde. Le calcul complet qui relie les deux grandeurs appartient aux années suivantes ; retiens pour l’instant que le watt mesure un débit, et le joule une quantité.
Regarde une facture d’électricité : elle compte en kilowattheures, notés kWh. Un kilowattheure représente l’énergie reçue par un appareil de mille watts pendant une heure. Converti en unité officielle, cela donne 3 600 000 joules.
Un exemple concret : un four de deux mille watts allumé une demi-heure consomme un kilowattheure. Écrire « 3 600 000 J » sur une facture serait exact, mais peu commode. Les électriciens ont donc conservé une unité mieux adaptée à leur métier, et le joule reste l’unité officielle des physiciens.
Prends un trombone métallique et redresse-le. Choisis un point du fil, puis plie et déplie ce même point une vingtaine de fois, rapidement. Pose ensuite cette zone contre le dos de ta main : elle est nettement tiède, alors que le reste du fil est resté froid.
Le travail de tes doigts n’a pas disparu : il a échauffé le métal à l’endroit précis où tu as forcé. C’est l’expérience de Joule, en beaucoup plus modeste, avec des doigts à la place des poids et un fil de fer à la place du récipient d’eau. Le chapitre suivant donnera un nom à cette forme d’énergie.
Prudence : après une trentaine d’allers-retours, le fil se rompt, et l’extrémité cassée est pointue. Arrête avant, ou tiens le fil par les deux côtés du pli.
Se donner des repères
Puisque le joule est petit, il devient utile de garder en tête quelques valeurs de comparaison. La figure suivante les place sur une échelle particulière : chaque graduation y vaut mille fois la précédente. Sans cette astuce, la pomme qui tombe et la production électrique d’un pays ne tiendraient pas sur la même page.
| Situation | En joules (valeur approchée) | En kilowattheures |
|---|---|---|
| Une pomme de 100 g tombe de 1 m | 1 J | 0,000 000 3 kWh |
| Un enfant de 40 kg monte un étage | 1 200 J | 0,000 3 kWh |
| La batterie d’un téléphone, chargée | 55 000 J | 0,015 kWh |
| Un four de 2 kW pendant une demi-heure | 3 600 000 J | 1 kWh |
| L’apport alimentaire d’une journée | 8 400 000 J | 2,3 kWh |
| Le plein d’essence d’une voiture (50 L) | 1 600 000 000 J | 440 kWh |
| Un logement pendant une année | 16 000 000 000 J | 4 500 kWh |
Ce tableau appelle une réserve : ces nombres sont des ordres de grandeur, calculés à partir de valeurs usuelles. Un logement chauffé à l’électricité dépasse largement les 4 500 kilowattheures annoncés, et le contenu énergétique d’un litre d’essence varie légèrement selon la formulation du carburant. Ces chiffres servent à comparer, non à certifier.
- L’énergie ne s’observe pas directement : elle se reconnaît à ses effets.
- Cinq effets la trahissent : mise en mouvement, élévation de température, émission de lumière, déformation, émission de son.
- Son unité officielle est le joule, de symbole J. Une pomme qui tombe d’un mètre libère environ un joule.
- La puissance, mesurée en watts, dit à quelle vitesse l’énergie est fournie. Le kilowattheure vaut 3 600 000 J.
- James Prescott Joule a établi qu’un travail mécanique donné produit une quantité de chaleur déterminée.
Une grandeur, une unité, des repères : voilà de quoi compter. Reste une question que le tableau précédent laisse entière. L’énergie d’une pomme qui tombe et celle d’une pile de téléphone se mesurent avec le même joule, mais se ressemblent-elles ? Le chapitre suivant montre que l’énergie change d’habit sans changer de nature.
Les habits de l’énergie
Une même grandeur, plusieurs apparences. Apprendre à les reconnaître.
Un ballon lancé, une casserole brûlante, une pile neuve, un rayon de soleil : quatre situations sans rapport apparent, et pourtant la même grandeur se cache derrière chacune. Les physiciens disent que l’énergie s’y présente sous des formes différentes. Reconnaître ces formes est le premier travail du chapitre ; comprendre comment elles se changent les unes dans les autres viendra ensuite.
Une forme d’énergie est une manière dont l’énergie se présente dans un système, selon ce qui la porte : le mouvement d’un corps, sa position, l’agitation de ses particules, ses liaisons chimiques, un rayonnement, le noyau de ses atomes.
La forme change, la grandeur reste la même : chacune se mesure en joules.
L’énergie cinétique : celle du mouvement
Un corps en mouvement possède de l’énergie du seul fait qu’il se déplace. Deux facteurs comptent : sa masse et sa vitesse. Un camion lancé à trente kilomètres par heure emporte davantage d’énergie qu’une bicyclette à la même allure, parce qu’il est plus lourd. Jusqu’ici, rien de surprenant.
Le second facteur ménage une surprise. La vitesse n’intervient pas une fois, mais deux : elle compte au carré. Doubler la vitesse d’un corps ne double pas son énergie cinétique, elle la multiplie par quatre. La tripler la multiplie par neuf. Cette règle a mis près d’un siècle à être admise, et elle a donné lieu à l’une des plus vives querelles scientifiques du XVIIIe siècle.
Dans les années 1720, à l’université de Leyde, le physicien néerlandais Willem Jacob ’s Gravesande installe un dispositif simple. Une caisse remplie d’argile molle, et au-dessus, des billes de laiton qu’il laisse tomber de hauteurs variables. Chaque bille imprime sa marque ; il en mesure la profondeur.
Le résultat le trouble. Une bille arrivant deux fois plus vite ne creuse pas deux fois plus profond, mais quatre fois. Trois fois plus vite : neuf fois plus profond. L’empreinte dans l’argile suit le carré de la vitesse.
’s Gravesande communique ses résultats à une correspondante française, Émilie du Châtelet, marquise, mathématicienne et traductrice de Newton. En 1740, dans le chapitre 21 de ses Institutions de physique, elle défend l’idée que la « force » d’un corps en mouvement se mesure par sa masse multipliée par le carré de sa vitesse, comme le soutenaient Leibniz et Bernoulli. Elle prend appui sur les empreintes de ’s Gravesande.
Dortous de Mairan, secrétaire de l’Académie des sciences, défend le calcul adverse : masse multipliée par la vitesse, sans carré. Il lui adresse une lettre publique le 18 février 1741 ; elle réplique la même année. Maupertuis prend sa défense. La controverse dure et occupe l’Europe savante.
Le dénouement mérite d’être connu, car il ne donne raison à personne. Les deux camps mesuraient en réalité deux grandeurs différentes, toutes deux légitimes, que la physique appelle aujourd’hui la quantité de mouvement et l’énergie cinétique. La dispute portait sur le mot « force », employé par chacun dans un sens qui lui était propre. Il a fallu attendre le XIXe siècle pour que le vocabulaire se stabilise.
Le carré de la vitesse n’est pas une curiosité d’école : il explique la sévérité des limitations de vitesse. Une voiture qui roule deux fois plus vite emporte quatre fois plus d’énergie cinétique. Or, pour s’arrêter, il faut se débarrasser de la totalité de cette énergie dans les freins. La distance nécessaire au freinage se trouve donc, elle aussi, à peu près quadruplée.
Le même raisonnement vaut pour une descente à vélo, pour une luge, et pour toute chute : c’est la vitesse à l’arrivée qui décide de la violence du choc, et elle pèse au carré.
L’énergie de position : celle de la réserve
Un objet posé en hauteur ne bouge pas, et pourtant quelque chose est en attente. Soulève un livre jusqu’à l’étagère : tu as fourni un effort, et cet effort n’a pas disparu. Lâche le livre, et l’énergie ressort aussitôt sous forme de mouvement. Les physiciens parlent d’énergie de position, parfois appelée énergie potentielle.
Un ressort comprimé, un arc tendu, un élastique étiré possèdent la même sorte de réserve, liée non à la hauteur mais à la déformation. Dans un cas comme dans l’autre, l’énergie attend d’être libérée.
La figure ci-dessus raconte l’histoire complète d’une bille lâchée en haut d’un toboggan. En A, la bille est immobile : sa réserve de position est pleine, sa réserve cinétique est vide. En B, à mi-pente, les deux réserves sont partiellement remplies. En C, au bas de la pente, la bille file : la réserve de position est vidée, la réserve cinétique est pleine. Le total, lui, ne change pas tant que les frottements demeurent faibles.
Il te faut un saladier à parois arrondies et une bille. Dépose la bille sur le bord et lâche-la sans la pousser. Elle descend, remonte de l’autre côté, redescend, et ainsi de suite.
Observe la hauteur atteinte à chaque remontée : elle diminue à chaque passage. La bille finit par s’immobiliser au fond. Pose-toi la question qui compte : où est passée la réserve du départ ? Elle n’a pas disparu. Le frottement de la bille contre la paroi et contre l’air l’a transformée en chaleur, répartie dans le saladier, dans la bille et dans l’air alentour. La quantité est trop faible pour être perçue au doigt, mais elle est là. La section suivante donnera son nom exact à cette forme d’énergie, et le chapitre 5 reviendra sur ce qu’elle devient.
L’énergie thermique, et une confusion à éviter
Toute matière est faite de particules en perpétuelle agitation. Plus cette agitation est vive, plus la matière est chaude. L’énergie thermique d’un corps mesure l’agitation de l’ensemble de ses particules.
La température renseigne sur l’agitation moyenne des particules. Elle se mesure en degrés Celsius avec un thermomètre.
L’énergie thermique dépend de cette agitation et de la quantité de matière concernée. Elle se mesure en joules.
Une allumette enflammée atteint une température bien supérieure à celle d’une baignoire d’eau tiède, mais la baignoire renferme beaucoup plus d’énergie thermique : elle contient une masse d’eau sans commune mesure. Température et énergie thermique sont deux grandeurs distinctes.
Les autres formes
L’énergie électrique est celle que transportent les charges qui circulent dans un circuit : le cours précédent en a décrit le mouvement. L’énergie chimique est stockée dans les liaisons qui unissent les atomes ; elle se libère lorsque ces liaisons se réorganisent, dans une pile, dans un feu de bois ou dans la digestion d’un repas. L’énergie lumineuse voyage sans support matériel : c’est celle qui traverse le vide entre le Soleil et nous. L’énergie nucléaire, enfin, réside dans le noyau des atomes et se libère lorsque ces noyaux se cassent ou fusionnent.
| Forme | Ce qui la porte | Un exemple |
|---|---|---|
| Cinétique | le mouvement d’un corps | un ballon qui vole |
| De position | la hauteur, la déformation | l’eau retenue par un barrage |
| Thermique | l’agitation des particules | une casserole d’eau chaude |
| Électrique | les charges qui circulent | le courant dans une lampe |
| Chimique | les liaisons entre atomes | une pile, du bois, un repas |
| Lumineuse | un rayonnement qui se propage | la lumière venue du Soleil |
| Nucléaire | le noyau des atomes | le combustible d’un réacteur |
- L’énergie se présente sous plusieurs formes : cinétique, de position, thermique, électrique, chimique, lumineuse, nucléaire.
- L’énergie cinétique dépend de la masse et de la vitesse, cette dernière comptant au carré.
- L’énergie de position est une réserve liée à la hauteur ou à la déformation.
- Température et énergie thermique sont deux grandeurs distinctes : la seconde dépend aussi de la quantité de matière.
- Émilie du Châtelet et Dortous de Mairan se sont opposés sur la mesure de la « force » ; ils décrivaient en réalité deux grandeurs différentes.
Nommer les formes ne dit pas encore d’où elles proviennent. Le pétrole d’un réservoir, le vent d’une éolienne, l’uranium d’un réacteur : tous portent de l’énergie, mais qui la leur a donnée ? Le chapitre suivant remonte la piste, et elle mène presque partout au même endroit.
D’où vient l’énergie que nous utilisons
Remonter la piste jusqu’à son point de départ, et découvrir qu’elle mène presque partout au même astre.
Une automobile roule grâce à l’essence de son réservoir. Mais l’essence, d’où vient-elle ? D’un pétrole extrait du sous-sol. Et ce pétrole ? De restes d’êtres vivants enfouis il y a des dizaines de millions d’années. Et ces êtres vivants ? Ils tiraient leur énergie de la lumière du Soleil, directement ou par ce qu’ils mangeaient. Remonter cette piste s’avère instructif : elle conduit, pour presque toutes nos sources, jusqu’à une étoile située à cent cinquante millions de kilomètres.
Une source d’énergie est un réservoir naturel dans lequel il est possible de puiser : le vent, une chute d’eau, le charbon, l’uranium, le rayonnement solaire, la chaleur du sous-sol.
L’électricité, elle, n’est pas une source : elle ne se trouve pas dans la nature en réserve exploitable. Elle est fabriquée à partir d’une source, puis transportée. Les spécialistes la nomment un vecteur : elle transporte l’énergie sans en être le gisement.
Le Soleil, presque partout
Le rayonnement solaire chauffe la Terre de façon inégale : davantage à l’équateur, moins aux pôles, plus sur les terres que sur les mers. Ces écarts de température mettent l’air en mouvement : voilà le vent, et voilà pourquoi une éolienne fonctionne grâce au Soleil, même par temps couvert.
Ce même rayonnement évapore l’eau des océans. La vapeur monte, se condense, retombe en pluie sur les montagnes. L’eau se retrouve alors en altitude, chargée d’énergie de position, prête à redescendre : voilà la source des barrages.
Les plantes, elles, captent directement la lumière et fabriquent leur matière. Le bois, la paille, les déchets végétaux forment ce que les spécialistes appellent la biomasse. Quant au charbon, au pétrole et au gaz naturel, ils proviennent d’êtres vivants enfouis puis transformés lentement dans le sous-sol : ce sont, en quelque sorte, des rayons de soleil très anciens, mis en conserve.
Le charbon s’est formé pour l’essentiel au cours d’une période géologique nommée le Carbonifère, il y a environ trois cents millions d’années. Des forêts denses poussaient alors dans des marécages ; les troncs tombés se sont enfoncés dans la vase, à l’abri de l’air, et se sont lentement transformés sous le poids des sédiments.
Le pétrole a une autre origine : il provient surtout de micro-organismes marins accumulés au fond des mers. Dans les deux cas, la formation s’est étalée sur des millions d’années. Voilà pourquoi ces réserves ne se reconstituent pas à notre échelle : leur formation se compte en millions d’années, leur consommation en décennies.
Renouvelable ou non : une question de durée
Le mot « renouvelable » est employé partout, souvent sans définition. Sa signification est pourtant précise, et elle tient à une comparaison de durées.
Une source est dite renouvelable lorsque son réservoir se reconstitue à une vitesse comparable à celle du prélèvement : le vent souffle de nouveau, la pluie tombe de nouveau, le Soleil se lève de nouveau.
Une source est dite non renouvelable lorsque son réservoir met, pour se reconstituer, un temps sans commune mesure avec celui du prélèvement : charbon, pétrole, gaz naturel, uranium.
La frontière dépend donc du rythme d’usage, pas de la nature de la matière. Une forêt exploitée plus vite qu’elle ne repousse cesse d’être une source renouvelable.
Les trois sources qui ne doivent rien au Soleil
Trois sources échappent à la règle précédente, et elles méritent d’être connues.
La géothermie puise dans la chaleur interne de la Terre. Cette chaleur a deux origines : la désintégration d’éléments radioactifs présents dans les roches, comme l’uranium, le thorium et le potassium, et la chaleur résiduelle de la formation de la planète. La part respective de ces deux contributions reste discutée par les spécialistes, les mesures étant difficiles à l’intérieur du globe.
Les marées proviennent de l’attraction exercée sur les océans par la Lune, et dans une moindre mesure par le Soleil, combinée à la rotation de la Terre. Le mouvement quotidien des eaux tient donc à la mécanique du système Terre-Lune, non au rayonnement reçu : l’action du Soleil est ici gravitationnelle, non lumineuse.
L’uranium, enfin, se trouvait déjà dans la matière qui a formé la Terre. Il a été produit dans des étoiles antérieures au Système solaire. Son énergie ne vient pas du Soleil : elle est plus ancienne que lui.
Au milieu du XIXe siècle, éclairer une maison réclame de l’huile, et la meilleure huile pour cela provient des baleines. Les baleiniers américains sillonnent tous les océans. La ressource se raréfie, les prix montent, et les villes réclament davantage de lumière.
À Titusville, en Pennsylvanie, un ancien conducteur de train nommé Edwin Drake s’associe à un puisatier. Contre l’avis des experts locaux, il veut atteindre le pétrole par forage, en s’inspirant des techniques employées pour les puits de sel. Le trépan descend, suspendu à un câble, mû par une machine à vapeur. Le 27 août 1859, à une vingtaine de mètres de profondeur, le pétrole monte dans le tube. Le puits fournit d’abord huit à dix barils par jour.
La nouvelle déclenche une ruée. Le pétrole est raffiné en kérosène, qui remplace progressivement l’huile de baleine dans les lampes. Une source en supplante une autre.
Deux précisions pour rester exact. Drake n’est pas le premier à forer : des puits antérieurs existent en Galicie dès 1854, ainsi qu’en Roumanie et au Canada. Son mérite est d’avoir déclenché l’exploitation industrielle. Et l’idée répandue selon laquelle le pétrole aurait sauvé les baleines demande d’être corrigée : la chasse a repris de plus belle au XXe siècle pour d’autres usages, la margarine et la glycérine notamment. Les captures ont culminé dans les années 1930 puis dans les années 1960, et près de trois millions de grands cétacés ont été tués entre 1900 et 1999.
Brûler du charbon, du pétrole ou du gaz naturel est une réaction chimique. Ces matières contiennent du carbone et de l’hydrogène ; en présence du dioxygène de l’air, leur combustion produit du dioxyde de carbone et de l’eau, en libérant de l’énergie thermique. C’est un fait de chimie, vérifiable en laboratoire, au même titre que la formation de rouille sur un clou.
Le devenir de ce dioxyde de carbone une fois rejeté dans l’atmosphère relève d’autres disciplines : les sciences de la vie et de la Terre l’étudient, la géographie en examine les conséquences pour les sociétés. Le présent cours s’en tient à ce qui relève de la physique et de la chimie.
| Source | Renouvelable ? | Origine profonde | Ce qui en est tiré |
|---|---|---|---|
| Rayonnement solaire | oui | le Soleil | chaleur, électricité |
| Vent | oui | le Soleil (air inégalement chauffé) | mouvement, électricité |
| Chutes d’eau | oui | le Soleil (cycle de l’eau) | mouvement, électricité |
| Biomasse | oui, si l’usage reste modéré | le Soleil (photosynthèse) | chaleur, carburants |
| Charbon, pétrole, gaz | non | le Soleil, il y a des millions d’années | chaleur, carburants, électricité |
| Géothermie | oui, à l’échelle humaine | chaleur interne de la Terre | chaleur, électricité |
| Marées | oui | attraction de la Lune et du Soleil | mouvement, électricité |
| Uranium | non | matière antérieure au Système solaire | chaleur, électricité |
Munis-toi d’une feuille et suis ta journée depuis le réveil. Pour chaque appareil ou véhicule employé, note deux choses : la forme d’énergie qui entre dans l’appareil, et la source d’origine dont elle provient.
Le réveil fonctionne à l’électricité, produite en France surtout à partir d’uranium. Le petit-déjeuner apporte de l’énergie chimique, née de la lumière captée par des plantes. L’autobus brûle du gazole, soleil ancien mis en conserve. Le chauffage du logement dépend du gaz, du fioul, de l’électricité ou du bois selon les cas.
Compte ensuite combien de lignes remontent au Soleil. Le résultat surprend : dans une journée ordinaire, les exceptions se comptent sur les doigts d’une main.
- Une source d’énergie est un réservoir naturel ; l’électricité, elle, est un vecteur, pas une source.
- Le vent, les chutes d’eau, la biomasse et les combustibles fossiles tiennent leur énergie du rayonnement solaire.
- Trois sources y échappent : la chaleur interne de la Terre, les marées et l’uranium.
- Une source est renouvelable lorsque son réservoir se reconstitue à un rythme comparable à celui du prélèvement.
- La combustion du charbon, du pétrole et du gaz produit du dioxyde de carbone et de l’eau : c’est un fait chimique.
Les sources sont repérées, les formes sont nommées. Reste le mouvement : comment l’énergie passe-t-elle d’un corps à un autre, et comment change-t-elle d’habit en chemin ? Deux mots vont servir, et ils ne signifient pas la même chose.
Elle passe, et elle change
Transfert, conversion, chaîne énergétique : le vocabulaire qui permet de raconter n’importe quel appareil.
L’énergie ne reste pas en place. Elle circule d’un corps à un autre, elle change de forme, elle traverse des appareils. Pour décrire ces déplacements sans se perdre, les physiciens emploient deux mots. Ils se ressemblent, ils sont souvent confondus, et la distinction entre eux structure tout ce chapitre.
Il y a transfert lorsque l’énergie passe d’un corps à un autre sans changer de forme. L’un en perd, l’autre en gagne autant.
Il y a conversion lorsque l’énergie change de forme. L’appareil qui opère ce changement porte un nom : c’est un convertisseur.
Voici un exemple pour chacun. Verse de l’eau chaude dans un récipient d’eau froide : l’énergie thermique quitte l’eau chaude et rejoint l’eau froide, sans changer de nature. C’est un transfert. Branche une lampe : l’énergie électrique entre, l’énergie lumineuse et l’énergie thermique sortent. La forme a changé, la lampe est un convertisseur.
Reconnaître un convertisseur
Presque tous les objets techniques sont des convertisseurs, et il devient amusant de les identifier une fois la règle comprise. Regarde ce qui entre, regarde ce qui sort : si les formes diffèrent, tu tiens un convertisseur.
| Appareil | Forme qui entre | Forme utile qui sort | Forme sortie sans être voulue |
|---|---|---|---|
| Lampe | électrique | lumineuse | thermique |
| Moteur électrique | électrique | cinétique | thermique, sonore |
| Pile | chimique | électrique | thermique |
| Panneau photovoltaïque | lumineuse | électrique | thermique |
| Alternateur | cinétique | électrique | thermique |
| Radiateur électrique | électrique | thermique | toute la sortie est utile |
| Muscle | chimique | cinétique | thermique |
Deux termes employés dans ce chapitre demandent une précision, car leur fonctionnement sera détaillé au chapitre 6. L’alternateur, qui figure dans le tableau ci-dessus, est la machine qui fabrique l’électricité des centrales à partir d’un mouvement de rotation ; la turbine, que la figure suivante fera apparaître, est la roue à aubes qu’un fluide met en rotation, eau ou vapeur, et qui entraîne cet alternateur.
Une ligne de ce tableau mérite un commentaire. Le radiateur électrique n’a pas de sortie inutile : la totalité de l’énergie qu’il reçoit devient de la chaleur, et c’est précisément ce qui est recherché. Le chapitre 5 montrera que ce cas est rare.
Un être humain fonctionne selon le même principe qu’une machine. L’énergie chimique des aliments entre ; l’énergie cinétique des muscles sort, accompagnée d’une quantité considérable d’énergie thermique. C’est cette dernière qui maintient le corps autour de trente-sept degrés, et qui fait qu’une salle de classe pleine se réchauffe toute seule en hiver.
Un détail confirme le mécanisme : pendant un effort intense, la production de chaleur augmente au point que le corps doit s’en débarrasser en transpirant, l’évaporation de la sueur emportant de l’énergie thermique.
La chaîne énergétique : un outil pour raconter
Décrire un appareil par des phrases finit par devenir laborieux. Les physiciens emploient donc un schéma normalisé, la chaîne énergétique, qui se lit de gauche à droite comme une phrase : où l’énergie est stockée, par quoi elle est convertie, à quoi elle sert.
Une chaîne énergétique représente le trajet de l’énergie par une suite de blocs reliés par des flèches. Chaque bloc désigne un élément du dispositif ; chaque flèche porte la forme d’énergie transférée.
Les flèches tracées en pointillé signalent l’énergie qui quitte la chaîne sans servir à ce qui était recherché.
Au début du XIXe siècle, les machines à vapeur sont partout, surtout en Angleterre. Les ingénieurs les perfectionnent au jugé : un piston plus long ici, une chaudière plus large là. Personne ne sait dire s’il existe une limite à ce que l’on peut tirer d’un feu.
Nicolas Léonard Sadi Carnot, né en 1796, fils du mathématicien et homme politique Lazare Carnot, est passé par l’École polytechnique. Il pose la question autrement, et sa formulation change tout : la puissance motrice de la chaleur est-elle limitée, ou les perfectionnements peuvent-ils se poursuivre indéfiniment ?
En 1824, à vingt-huit ans, il publie à ses frais un ouvrage de cent dix-huit pages, tiré à six cents exemplaires : les Réflexions sur la puissance motrice du feu. Ce sera sa seule publication. Il y démontre qu’une machine thermique ne peut dépasser une certaine limite, et que cette limite dépend de l’écart entre la source chaude et la source froide, non de l’ingéniosité du constructeur.
L’ouvrage passe presque inaperçu. Carnot meurt en 1832, à trente-six ans. Ses idées sont reprises et développées une génération plus tard, et elles fondent aujourd’hui la conception de toute centrale et de tout moteur.
Choisis trois objets : un grille-pain, un vélo, un sèche-cheveux. Pour chacun, trace une chaîne énergétique à trois blocs sur le modèle de la figure précédente.
Pose-toi trois questions dans l’ordre. Premièrement : où est stockée l’énergie au départ ? Deuxièmement : quelle pièce opère le changement de forme ? Troisièmement : quel effet est recherché ?
Ajoute enfin une flèche en pointillé partout où de l’énergie s’échappe sans être utile. Le sèche-cheveux réserve une difficulté intéressante : il produit à la fois du mouvement d’air et de la chaleur, et les deux sont recherchés. Sa chaîne comporte donc deux sorties utiles.
- Un transfert fait passer l’énergie d’un corps à un autre sans changer sa forme.
- Une conversion change la forme de l’énergie ; l’appareil qui l’opère est un convertisseur.
- La chaîne énergétique représente le trajet complet : réservoir, convertisseur, utilisation.
- Les flèches en pointillé désignent l’énergie qui part sans servir à l’effet recherché.
- Sadi Carnot a établi en 1824 qu’une machine thermique se heurte à une limite indépassable.
Ces flèches en pointillé posent une question redoutable. Si de l’énergie s’échappe à chaque conversion, finit-elle par disparaître ? La réponse du chapitre suivant est catégorique, et elle explique du même coup pourquoi une certaine famille de machines reste hors d’atteinte.
Rien ne se perd
Ce que nous appelons une perte est un déménagement, et la chaleur en est la destination la plus fréquente.
Le chapitre précédent s’est achevé sur une inquiétude légitime. Si chaque conversion laisse échapper de l’énergie par des flèches en pointillé, que devient la quantité de départ ? S’use-t-elle ? Finit-elle par s’épuiser ? La physique répond d’une phrase, et cette phrase compte parmi les plus solides de toute la discipline.
L’énergie ne se crée pas et ne se détruit pas. Elle se transfère et se convertit. Dans un système isolé de l’extérieur, la quantité totale d’énergie demeure la même, quelles que soient les transformations qui s’y produisent.
Ce que le langage courant nomme une perte désigne une énergie convertie sous une forme dont personne ne se sert : le plus souvent de l’énergie thermique, dispersée dans l’air ambiant.
Où va vraiment l’énergie « perdue »
Reprends la bille du saladier, au chapitre 2. Elle finit immobile au fond, et sa réserve de départ semble volatilisée. Il n’en est rien. Le frottement contre la paroi a légèrement échauffé le saladier, la bille et l’air : l’énergie s’est convertie en énergie thermique et s’est répartie sur une grande quantité de matière. Elle est trop diluée pour se déceler à la main, mais un thermomètre assez fin la détecterait.
Une lampe raconte la même histoire, en plus spectaculaire. Approche la main d’une ampoule ancienne allumée depuis quelques minutes : elle brûle. Cette chaleur n’est pas un accident secondaire : c’est la plus grande part de l’électricité payée sur la facture.
Le rendement : la part qui sert
Le rendement d’un convertisseur est la part de l’énergie reçue qui ressort sous la forme recherchée. Il s’exprime en pourcentage.
Un rendement de 30 % signifie que sur cent unités d’énergie entrées, trente ressortent sous la forme voulue et soixante-dix sous une autre forme, généralement thermique. Le total, lui, demeure cent.
| Convertisseur | Ce qui est recherché | Part utile, en ordre de grandeur |
|---|---|---|
| Lampe à incandescence | lumière visible | environ 5 % |
| Lampe à diodes | lumière visible | de 25 à 40 % |
| Moteur d’automobile à essence | mouvement | jusqu’à 36 % |
| Moteur d’automobile diesel | mouvement | jusqu’à 45 % |
| Moteur électrique | mouvement | plus de 90 % |
| Centrale nucléaire | électricité | environ 33 % |
| Centrale à gaz de dernière génération | électricité | jusqu’à 60 % |
| Panneau photovoltaïque | électricité | de 15 à 22 % |
| Barrage hydroélectrique | électricité | de 80 à 90 % |
| Radiateur électrique | chaleur | proche de 100 % |
Deux lignes de ce tableau surprennent, et méritent d’être discutées. Le radiateur électrique atteint un rendement voisin de cent pour cent : la totalité de l’électricité y devient de la chaleur, et c’est précisément ce qui est demandé. À l’inverse, la centrale nucléaire n’en convertit qu’un tiers en électricité. Cet écart ne tient pas à un défaut de fabrication : il découle de la limite établie par Carnot pour toute machine qui produit du mouvement à partir de chaleur. Les deux tiers restants sortent sous forme d’énergie thermique, évacuée dans une rivière, dans la mer ou par les tours de refroidissement.
Observe une régularité dans le tableau ci-dessus : la forme non désirée est presque partout l’énergie thermique. Ce n’est pas une coïncidence. Toutes les conversions peuvent conduire à de la chaleur, alors que la conversion inverse, transformer intégralement de la chaleur en mouvement, se heurte à une limite infranchissable.
Il en résulte une image utile : l’énergie descend une sorte d’escalier dont le dernier degré est la chaleur diffuse. Elle demeure présente en quantité inchangée, mais répartie sur tant de matière qu’elle devient inutilisable. Les physiciens parlent alors d’énergie dégradée.
Depuis le Moyen Âge, des inventeurs proposent des machines censées fonctionner sans rien recevoir : roues déséquilibrées par des billes, aimants disposés en cercle, réservoirs qui se rempliraient d’eux-mêmes. Le mouvement perpétuel fascine. Les projets affluent à l’Académie royale des sciences de Paris, qui les examine un par un, et les renvoie un par un.
Le 3 mai 1775, l’Académie prend une décision inhabituelle. Elle annonce publiquement qu’elle cesse d’examiner quatre catégories de travaux : la duplication du cube, la trisection de l’angle, la quadrature du cercle, et toute machine annoncée comme un mouvement perpétuel.
Le détail qui rend cette décision remarquable est sa date. En 1775, le principe de conservation de l’énergie n’est pas formulé : il faudra attendre les travaux de Mayer, de Joule et de Helmholtz, dans les années 1840. L’Académie ne s’appuie donc pas sur une théorie, mais sur soixante-dix ans d’expériences répétées et sur un raisonnement de bon sens : un effet ne saurait excéder sa cause. Elle a eu raison avant de pouvoir le démontrer.
Aujourd’hui encore, des projets de ce genre parviennent aux académies. La réponse n’a pas changé.
Fais le tour du logement et touche du dos de la main, sans forcer, les appareils en fonctionnement : le chargeur de téléphone branché, la face arrière d’un réfrigérateur, le dessous d’un ordinateur portable, le boîtier de connexion à internet.
Tous sont tièdes, certains franchement chauds. Chacune de ces tiédeurs est une part de l’électricité payée qui s’échappe sans rendre le service attendu. Le réfrigérateur mérite une mention spéciale : il refroidit son intérieur en rejetant de la chaleur à l’arrière, si bien qu’il réchauffe la cuisine au lieu de la rafraîchir.
Prudence : laisse de côté les plaques de cuisson, le four, les ampoules allumées et les radiateurs, dont la température peut brûler.
- L’énergie ne se crée pas et ne disparaît pas : elle se transfère et se convertit.
- Une « perte » désigne une énergie convertie sous une forme inutilisée, le plus souvent thermique.
- Le rendement est la part de l’énergie reçue qui ressort sous la forme recherchée.
- Une machine qui produit du mouvement à partir de chaleur se heurte à une limite physique.
- Le 3 mai 1775, l’Académie royale des sciences a cessé d’examiner les projets de mouvement perpétuel, soixante-dix ans avant la formulation du principe de conservation.
Le vocabulaire est en place et les règles sont posées. Le dernier chapitre les met à l’épreuve sur le vecteur le plus employé de notre époque : l’électricité. Comment cette électricité est-elle fabriquée, comment est-elle acheminée, et pourquoi devient-il si difficile de la mettre de côté pour plus tard ?
L’électricité, du barrage à la prise
Produire, transporter, stocker : trois problèmes distincts, dont le dernier reste le plus rude.
Le cours précédent décrivait ce qui circule dans un fil : des électrons poussés par un générateur, dans un circuit fermé. Restait une question laissée de côté : d’où sort cette électricité, et qui la pousse ? Voici la réponse, et elle tient dans un geste répété par presque toutes les centrales du monde.
Un alternateur est un convertisseur qui transforme de l’énergie cinétique en énergie électrique. Un aimant y tourne devant des bobines de fil ; ce mouvement y fait apparaître un courant.
Le phénomène porte un nom : l’induction électromagnétique. Le principe est simple à énoncer : pour produire de l’électricité en grande quantité, il faut faire tourner quelque chose.
Observe la régularité que révèle cette figure. Une centrale au charbon, une centrale nucléaire, un barrage et une éolienne semblent des installations sans rapport : l’une brûle un combustible, l’autre casse des noyaux d’uranium, la troisième retient un lac, la quatrième attend le vent. Elles se rejoignent pourtant sur les deux dernières étapes : quelque chose pousse une turbine, et la turbine entraîne un alternateur.
La différence tient au début de la chaîne. Les centrales thermiques et nucléaires produisent d’abord de la chaleur, laquelle sert à porter de l’eau à ébullition ; c’est la vapeur sous pression qui pousse la turbine. Le barrage et l’éolienne se passent de cette étape : l’eau et l’air agissent directement sur les pales.
Le panneau photovoltaïque, lui, fait exception. La lumière y arrive et l’électricité en sort, sans pièce en rotation, sans chaudière, sans bruit. C’est le seul mode de production courant qui ne passe pas par un mouvement mécanique.
L’induction électromagnétique a été découverte par Michael Faraday le 29 août 1831, à Londres, en observant une aiguille de galvanomètre dévier au moment précis où il établissait ou coupait un courant dans une bobine voisine. Dès l’année suivante, en 1832, le constructeur d’instruments parisien Hippolyte Pixii réalise une machine à aimant tournant, considérée comme le premier alternateur de laboratoire.
L’effet photovoltaïque, lui, a été observé en 1839 par le physicien français Edmond Becquerel, alors âgé de dix-neuf ans, dans le laboratoire de son père. Mais il faudra attendre 1954 et les laboratoires Bell, aux États-Unis, pour qu’une cellule au silicium atteigne un rendement de 6 % et devienne utilisable. Cent quinze ans séparent ainsi l’observation du phénomène de son premier emploi pratique.
Aristide Bergès naît en 1833 en Ariège, dans une famille de papetiers, et sort ingénieur de l’École centrale. En 1867, il s’installe dans la vallée du Grésivaudan, en Isère, et achète un ancien moulin au pied du ruisseau de la Combe de Lancey. Son projet consiste à faire tourner des machines à défibrer le bois, afin de fabriquer de la pâte à papier.
Le débit du ruisseau se révèle insuffisant. Bergès a alors une idée que ses contemporains jugent déraisonnable : puisque le débit manque, la hauteur compensera. Il fait installer une conduite forcée qui capte l’eau deux cents mètres plus haut. Les objections pleuvent : un seul tuyau ne saurait contenir une telle pression. Son propre associé s’en dit effrayé.
Fin septembre 1869, l’eau descend dans la conduite et attaque la turbine. L’installation fonctionne. Bergès pousse plus loin : en 1882, il ajoute une seconde conduite de cinq cents mètres de dénivelé et couple une dynamo à ses turbines, ce qui lui donne de l’électricité pour éclairer l’usine.
Reste à faire connaître le procédé. À l’Exposition universelle de Paris, en 1889, Bergès emploie une formule qui fera fortune : la houille blanche. Le charbon des mines portait le nom de houille ; l’énergie des torrents alpins reçoit le même nom, assorti d’une couleur. L’expression est restée dans la langue française.
Une précision s’impose ici : Bergès n’a pas inventé l’hydroélectricité, qui doit beaucoup à de nombreux ingénieurs. Son apport tient à la haute chute, un record dans les Alpes pour l’époque, et à une formule qui a fait entrer cette source d’énergie dans le langage courant.
Transporter : pourquoi la tension monte avant de redescendre
Une centrale se trouve rarement à côté de ceux qui consomment son électricité. Il faut donc acheminer l’énergie sur des dizaines, parfois des centaines de kilomètres, et ce trajet coûte : les câbles s’échauffent au passage du courant, ce qui constitue une conversion non désirée, au sens précis du chapitre précédent.
Les ingénieurs ont trouvé la parade. En élevant fortement la tension à la sortie de la centrale, ils réduisent l’intensité du courant nécessaire pour transporter la même énergie, et l’échauffement des câbles diminue d’autant. Un appareil nommé transformateur élève la tension pour le voyage, un autre l’abaisse à l’arrivée, jusqu’aux 230 volts des prises domestiques. Le mécanisme précis relève des classes suivantes ; retiens le principe et sa raison d’être.
Stocker : le problème le plus rude
Voici une propriété déconcertante de l’électricité : elle se transporte admirablement et se conserve fort mal. Le charbon s’entasse en terril, le pétrole se met en cuve, le bois s’empile en stères. L’électricité, elle, doit être consommée à l’instant même où elle est produite. À chaque seconde, la quantité injectée sur le réseau français égale la quantité soutirée, à très peu de chose près.
Une batterie ne contredit pas cette règle : elle ne stocke pas de l’électricité, elle la convertit en énergie chimique, puis la reconvertit au moment voulu. Le détour coûte, à l’aller comme au retour.
Le procédé de stockage le plus employé à grande échelle porte un nom peu séduisant : la station de transfert d’énergie par pompage, abrégée en STEP. Le principe tient en deux temps. Quand l’électricité abonde, des pompes remontent de l’eau d’un bassin bas vers un bassin haut : l’énergie électrique devient énergie de position. Quand la demande s’élève, l’eau redescend, entraîne une turbine et redevient de l’électricité.
Le rendement du cycle complet se situe entre 70 et 85 % selon les installations. Pour disposer d’un kilowattheure au moment voulu, il faut donc en dépenser à peu près un tiers de plus lors du pompage. Le détour reste avantageux, car il rend l’énergie disponible à l’heure où elle manque.
La France compte six stations de ce type, d’une puissance cumulée d’environ cinq gigawatts. La plus puissante, Grand’Maison en Isère, peut fournir 1 800 mégawatts en trois minutes, soit l’équivalent de deux réacteurs nucléaires, en laissant simplement l’eau redescendre.
| Origine | Production annuelle | Part du total |
|---|---|---|
| Nucléaire | 373,0 TWh | 68 % |
| Hydraulique | 62,4 TWh | 11 % |
| Éolien | environ 53 TWh | 10 % |
| Solaire | environ 32 TWh | 6 % |
| Combustibles fossiles | 18,7 TWh | 3 % |
| Bioénergies et déchets | environ 8 TWh | 2 % |
| Total produit | 547,5 TWh | 100 % |
Une remarque sur ce tableau : le térawattheure, noté TWh, vaut mille milliards de wattheures. Les valeurs du nucléaire, de l’hydraulique, des combustibles fossiles et du total sont publiées telles quelles ; celles de l’éolien, du solaire et des bioénergies ont été reconstituées à partir des variations annuelles données dans le même document, et sont donc arrondies. Les pourcentages ont été calculés à partir de ces valeurs.
Lors d’un trajet en voiture ou en train, cherche les trois échelons du réseau électrique. Les grandes lignes à très haute tension se reconnaissent à leurs pylônes métalliques élevés et à leurs longues chaînes d’isolateurs en porcelaine ou en verre, empilés en série : plus la chaîne est longue, plus la tension est forte.
Repère ensuite les poteaux plus modestes qui longent les routes de campagne, puis, à l’entrée d’un village, un petit bâtiment fermé ou une cabine posée sur un poteau : c’est un transformateur de distribution, le dernier avant les maisons.
Prudence : ces installations sont sous haute tension. Regarde de loin, sans franchir de clôture ni escalader de support.
- Presque toutes les centrales font tourner un alternateur, qui convertit du mouvement en électricité.
- Les centrales thermiques et nucléaires produisent d’abord de la chaleur, puis de la vapeur qui pousse une turbine.
- Le panneau photovoltaïque fait exception : il convertit la lumière en électricité sans pièce en rotation.
- La tension est élevée pour le transport afin de réduire l’échauffement des câbles, puis abaissée à l’arrivée.
- L’électricité se stocke difficilement ; les stations de pompage la convertissent en énergie de position, avec un rendement de cycle de 70 à 85 %.
Quiz
Dix questions à traiter sans revenir en arrière. Les réponses figurent après les exercices.
Cite deux effets qui signalent qu’un apport d’énergie a eu lieu.
Quelle est l’unité officielle de l’énergie, et quel est son symbole ?
Un four de 2 000 watts fonctionne pendant une demi-heure. Combien de kilowattheures a-t-il consommés ?
Deux billes identiques roulent, la seconde deux fois plus vite que la première. Que peux-tu dire de leurs énergies cinétiques ?
Une allumette enflammée et une baignoire d’eau tiède : laquelle est à la température la plus élevée ? Laquelle contient le plus d’énergie thermique ? Justifie ta réponse.
L’électricité est-elle une source d’énergie ? Explique en une phrase.
Cite les trois sources d’énergie qui ne proviennent pas du rayonnement solaire.
Quelle différence sépare un transfert d’une conversion ? Donne un exemple de chaque.
Une lampe à incandescence reçoit cent unités d’énergie électrique. Quelle part ressort en lumière visible, et sous quelle forme part le reste ?
Pourquoi la tension est-elle élevée à la sortie d’une centrale avant le transport de l’électricité ?
Trois exercices de réflexion
Ici, la réponse demande un raisonnement, non une récitation.
Exercice A - la descente du cycliste
Un cycliste descend une côte sans pédaler, traverse un court replat, puis remonte de l’autre côté en roue libre.
1. Trace la chaîne énergétique de la descente, en indiquant la forme d’énergie sur chaque flèche.
2. Le cycliste remonte moins haut qu’il n’est descendu. Explique où est passée la différence.
3. Si le trajet se déroulait dans le vide, sans air et sans frottement, la hauteur atteinte à la remontée changerait-elle ? Justifie.
Exercice B - la machine de l’ami trop confiant
Un camarade te présente son invention. Un moteur électrique entraîne un alternateur ; l’alternateur produit du courant, qui repart alimenter le moteur. Le montage se nourrirait lui-même, et le surplus servirait à éclairer une lampe. Selon lui, la machine tournerait sans fin, une fois lancée.
1. Nomme les deux convertisseurs de ce montage, et indique pour chacun la forme d’énergie qui entre et celle qui sort.
2. Explique, en t’appuyant sur le chapitre 5, ce qui se produira réellement après le lancement.
3. Ton camarade réplique que ses appareils sont de très bonne qualité. Cet argument change-t-il quelque chose ? Explique pourquoi.
Exercice C - le compte d’un réacteur
Un réacteur nucléaire alimente un alternateur qui fournit une puissance électrique de 1 000 mégawatts. Le rendement de l’installation vaut environ 33 %.
1. Quelle puissance thermique le réacteur doit-il produire pour obtenir ce résultat ? Donne un ordre de grandeur.
2. Que devient la différence entre ces deux puissances ?
3. Le constructeur pourrait-il porter le rendement à 90 % en soignant davantage sa machine ? Appuie-toi sur ce que tu sais de Sadi Carnot.
Réponses commentées
Ces réponses se consultent après avoir cherché, et pas avant.
Quiz
Exercice A
Exercice B
Exercice C
Lexique
Les mots du cours, réunis pour la révision.
Cours illustré de physique-chimie, classe de 5e · sixième cours de la série · usage familial et pédagogique privé