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L'énergie

1. Introduction Sans donner une définition explicite de l'énergie nous allons partir d'une évidence :

Chaque jour nous avons besoin d'énergie pour réaliser toute une série d'opérations, de services.

Voici quelques exemples : chauffer de l'eau; chauffer un appartement; éclairer une pièce; faire fonctionner une radio; faire avancer un véhicule; faire tourner le moteur d'une machine...

L'énergie que nous utilisons peut être de forme et de présentation très diverse : énergie électrique distribuée par le réseau ou fournie par des piles; énergie chimique libérée par la combustion de l'essence, du gaz... De plus, pour un même service, on peut avoir recours à des énergies différentes : le gaz ou l'électricité pour chauffer de l'eau, l'électricité ou l'essence pour faire tourner le moteur d'une tondeuse à gazon etc... Sources d'énergie, formes de l'énergie, transformations.

Les principales sources d'énergie sont : l'énergie éolienne, l'énergie hydraulique, l'énergie fossile (charbon, pétrole, gaz), l'énergie solaire, l'énergie géothermique, l'énergie nucléaire.

Le mur du barrage de la Grande-Dixence a été construit entre 1954 et 1961. La hauteur du mur est de 285 mètres et la longueur du couronnement d’environ 700 mètres. Ce barrage, l’un des plus imposant d’Europe, permet de retenir plus de 400 millions de mètres cubes d’eau et alimente les centrales hydroélectriques de Fionnay, Nendaz, Bieudron (provisoirement arrêtée) et Chandoline.

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Les éoliennes du Mont-Crosin en dessus de Saint-Imier ne produisent qu’une infime partie de l’électricité en Suisse.

Elles nous rappellent que la diminution du pétrole et le réchauffement climatique nous obligent à investir dans les énergies renouvelables même si l’énergie éolienne restera marginale dans la production d’électricité de notre pays.

Les trois éoliennes de la photographie ont une hauteur de 50 mètres et la longueur des pales est de 22 mètres.

Ainsi, de tout temps, la quête de l'homme est non seulement de disposer de nouvelles "sources" mais d'acquérir la maîtrise des transformations d'énergie qui permettra leur utilisation. Citons par exemple les recherches actuelles qui durent depuis plusieurs décennies pour maîtriser sur terre la fusion nucléaire, transformation d'énergie qui se produit en permanence dans notre soleil (dans toutes les étoiles) ou encore l'amélioration constante des cellules photovoltaïques qui permettent de transformer directement l'énergie du rayonnement solaire en énergie électrique. Œuvre abstraite ? Non, il s’agit simplement d’une cellule photovoltaïque du Mont-Soleil qui transforme directement l’énergie du rayonnement solaire en énergie électrique. Malheureusement le rendement d’une telle installation ne dépasse généralement pas 10 %.

Les zones qui apparaissent sur la photographie sont dues à un arrangement « parfait » des atomes dans chacune d’elle (mono-cristal). La grille métallique est nécessaire pour récupérer les électrons arrachés par le rayonnement solaire.

Dans cette première approche, « l'énergie » nous apparaît comme « quelque chose » d'indispensable pour réaliser divers services, de forme très diverse et soumise à de multiples transformations. De plus, sa mesure est nécessaire puisqu'elle fait l'objet d'un marché de première importance dans notre société.

2. Historique L'histoire de l'utilisation de l'énergie et la maîtrise de ses transformations est directement liée au développement des sociétés humaines. La première "machine" est bien l'homme lui-même qui, pour fournir un travail , doit s'alimenter. Ainsi pendant longtemps l'homme n'a su maîtriser que son propre corps, puis celui des animaux et celui de ses congénères par l'esclavage !

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Le feu a constitué une étape importante à bien des égards, la combustion du bois a permis d'éloigner les animaux sauvages, de cuire des aliments et plus tard, de fondre et de façonner des métaux.

Le vent et l'eau ont permis aux moulins de moudre les céréales puis de faire fonctionner différentes machines mais l'intensité du vent n'est pas constante et les industries du Moyen-Âge ont dû s'installer le long des cours d'eau.

La naissance du concept "d'énergie" dans son acception moderne date de la Révolution Industrielle, période qui correspond à la maîtrise de la transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique, ainsi les constantes améliorations apportées aux machines à vapeur vont pousser les scientifiques à comprendre les phénomènes liés à cette transformation, tel S. Carnot (1824) qui constate d'abord :

" Malgré les travaux de tout genre entrepris sur les machines à feu, malgré l'état satisfaisant où elles sont aujourd'hui parvenues, leur théorie est fort peu avancée et les essais d'amélioration tentés sur elles sont encore dirigés presque au hasard «.

Puis, grâce à ses travaux, la pensée de Carnot évolue et il développe les notions qui nous sont maintenant familières...

" La chaleur n'est autre chose que l’énergie 1 motrice ou plutôt que le mouvement qui a changé de forme. C'est un mouvement dans les particules des corps; partout où il y a destruction d'énergie 1 motrice il y a en même temps production de chaleur en quantité précisément proportionnelle à la quantité d'énergie motrice détruite. Réciproquement, partout où il y a destruction de chaleur, il y a production d'énergie 1 motrice ".

"On peut poser en thèse générale que l'énergie 1 motrice est en quantité invariable dans la matière, qu'elle n'est jamais ni produite ni détruite, à la vérité elle change de forme, c’est-à-dire, elle produit tantôt un genre de mouvement, tantôt un autre, mais elle n'est jamais anéantie ".

(1) Dans tous les textes de Carnot, le mot « puissance » est utilisé dans le sens actuel du mot énergie, ainsi pour éviter des confusions, on a substitué le mot énergie à celui de puissance.

3. La conservation de l’énergie

Revenons à nouveau au texte de S. Carnot :

"... elle n'est jamais ni produite ni détruite, à la vérité elle change de forme,...".

La généralisation de cette phrase à toute forme d'énergie est devenu un des grands principes physiques, le principe de la conservation de l'énergie :

Pour un système isolé (pas d'échange avec l'extérieur) l'énergie totale du système est constante.

Il a une importance considérable, de l'étude de la structure de la matière (physique des particules élémentaires) à celle de la structure de notre univers (astrophysique).

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La conservation de l’énergie appliquée à un appareil: Que signifie concrètement ce principe si on l’applique à un appareil ou a une installation ? Si nous effectuons des mesures de l’énergie avant et après l’appareil, le principe de la conservation de l'énergie pour un système isolé permet d'affirmer :

εf = ε1 + ε2 + ε3 Remarque :

Si l'égalité n'est pas vérifiée : ε1 + ε2 + ε3 < εf , le physicien ne remettra pas en cause le principe de la conservation de l'énergie qui est vérifié quotidiennement dans le monde. Au contraire, avec des mesures plus complètes, il va justement chercher cette énergie qui a échappé à son décompte.

4. Notion de rendement et concept économique Economiquement un appareil (installation) nous permet d'aboutir à un service : Tout appareil ou installation permet d'utiliser une partie de l'énergie pour le service souhaité alors qu'une partie de l'énergie est "perdue" ou inutile.

Economiquement, il est très important de connaître la fraction utile de l'énergie qui va correspondre au service rendu et l’on définit le rendement comme le rapport entre l'énergie utile et l'énergie fournie. Le principe de la conservation de l’énergie permet d’affirmer que l’énergie utile est toujours plus petite ou égale à énergie fournie ce qui a pour conséquence que le rendement ne peut jamais être supérieur à 1 !

η = énergie utile

énergie fournie avec 0 ≤ η ≤ 1

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Exemples :

1. Une ampoule électrique ordinaire a un rendement de 8 % (seule 8 % de l'énergie est transformée en lumière alors que 92 % se transforme en chaleur !).

2. Un moteur de voiture a un rendement inférieur à 30 %. Plus de 70 % de l'énergie chimique de l'essence se transforme en chaleur, inutile pour faire avancer la voiture !

3. Le rendement d’une transformation directe de l’énergie du rayonnement solaire en chaleur est bon (environ 60 % pour l’installation) et permet de chauffer une part importante de l’eau chaude ménagère d’une maison.

Sous nos latitudes, avec 4 m2 de panneaux solaires thermiques, entre 40 et 50% de l’énergie qui sert à chauffer l’eau peut provenir du Soleil.

Les panneaux sont traversés par un mélange eau-antigel qui rejoint ensuite un échangeur dans la maison et revient aux panneaux (circuit fermé). Dans l’échangeur, l’eau ménagère est en contact avec les tuyaux qui contiennent le mélange et sa température s’élève.

Remarques :

• L'énergie fournie est aussi l'énergie consommée (voir tables CRM p. 127).

• L'énergie "perdue" l'est au sens économique, mais en aucun cas la conservation de l'énergie n'est mise en cause, il suffit d'en tenir compte dans le bilan !

énergie utile + énergie perdue = énergie fournie

• L'énergie fournie, l'énergie utile et l'énergie perdue sont souvent de forme différente mais pas dans tous les cas ! (exemple : installation de chauffage par géothermie)

• On peut chercher à améliorer le rendement de deux manières :

1. Améliorer techniquement l'installation pour diminuer les "pertes".

2. Compléter une installation pour utiliser l'énergie (au moins en partie) qui jusque-là était perdue.

• La forme d’énergie la plus « dégradée » est l’énergie thermique. On parle de « forme dégradée » car toute transformation d’énergie thermique en une autre forme d’énergie se fait avec un rendement « catastrophique » alors que la transformation inverse ne pose aucun problème. Ainsi, le rendement d’une usine thermique qui produit de l’électricité est généralement inférieur à 40% alors lors de la transformation inverse, le rendement d’un radiateur électrique est de 100%.

Conclusion :

La notion de rendement est donc très générale, elle peut s'appliquer à un appareil ou à une installation même très étendue, en tenant compte des transformations, du transport... Elle permet de comparer des appareils réalisant la même opération, de calculer le prix réel d'un service à partir du prix de l'énergie fournie.

5. L'énergie et la puissance

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L'énergie peut être mesurée en de nombreuses unités qui dépendent du domaine considéré: la calorie pour l'énergie thermique et chimique, le kilowatt-heure (kWh) pour l'énergie facturée par les services industriels genevois, l'électron volt (eV) pour l'énergie des particules accélérées au CERN, …) mais l'unité standard (S.I.) est le Joule: [J]. La puissance mesure la vitesse à laquelle une énergie est consommée ou transformée par un appareil. On peut ainsi définir :

Pmoyenne = ∆ε∆t [W] =

[J] [s] (Watt =

Joule seconde)

La puissance et le rendement:

Tout appareil ou installation permet d'utiliser une partie de l'énergie pour le service souhaité alors qu'une partie de l'énergie est "perdue" ou inutile. Cette phrase reste valable pour les puissances, la puissance étant l'énergie fournie ou utilisée par unité de temps. Le rendement peut aussi s'établir à partir des puissances.

Appareil ou intallation qui donne lieu à des transformations d'énergie

fournie

perdue

utile SERVICE

P

P

P

η = puissance utile

puissance fournie = énergie utile

énergie fournie