La conservation de l'énergie est une des lois les mieux établies de la physique. Cela semble en contradiction avec les règles d'économie de l'énergie, puisqu'il n'y a pas lieu d'économiser ce qui de toute façon se conserve. Malheureusement, l'énergie utilisable, celle qui produit le mouvement ou l'électricité, se dégrade pour ne plus fournir, en fin de route, que de la chaleur. Surmonter cette dégradation constitue la motivation essentielle des recherches fondamentales et appliquées menées dans ce domaine depuis deux siècles. U n système possède de l'énergie s'il peut fournir du travail. L'énergie, comme le travail, s'exprime en joules. Les différentes formes de l'énergie L'énergie cinétique d'un corps de masse m est l'énergie due à sa vitesse v ; elle s'écrit Un corps possédant de l'énergie cinétique peut fournir du travail. Ainsi, un cycliste lancé au bas d'une côte et ne pédalant plus gravit la côte jusqu'à ce qu'il s'arrête ; son énergie cinétique, en diminuant, a fourni le travail qui lui a permis de gravir la côte. L'énergie potentielle U = mgh d'un corps de masse m, dans le champ de pesanteur g de la Terre, est l'énergie liée à l'altitude h du corps. Un corps qui possède de l'énergie potentielle de pesanteur peut fournir du travail. Ainsi, l'eau d'un barrage peut faire tourner les turbines d'une centrale : l'énergie potentielle a diminué, du travail est apparu. L'énergie potentielle élastique est l'énergie emmagasinée par exemple dans le ressort spiral d'une montre, qui en se détendant entraîne les aiguilles. L'énergie mécanique totale d'un corps dans le champ de pesanteur est la somme de son énergie cinétique et de son énergie potentielle. En l'absence d'action extérieure, cette énergie mécanique reste constante. Une balle lancée vers le haut ralentit : elle perd de l'énergie cinétique et gagne de l'énergie potentielle ; c'est l'inverse quand la balle descend, mais l'énergie mécanique totale reste constante. Au cours de frottements ou de chocs, un système perd de l'énergie, mais de la chaleur apparaît. Lorsqu'un cycliste freine, la température des freins augmente ; l'énergie cinétique a diminué, mais, à l'échelon microscopique, l'énergie cinétique désordonnée a augmenté. On peut élever la température d'un corps, soit directement en lui fournissant de la chaleur, soit indirectement en lui fournissant de l'énergie mécanique, électrique ou autre, qu'il convertira en chaleur (par frottements par exemple). D'une manière générale, la variation d'énergie interne d'un système est la somme algébrique des quantités de chaleur et de travail reçues par le système. Si le système revient à un état final identique à son état initial, sa variation d'énergie interne est nulle, et la somme algébrique des quantités de travail et de chaleur reçues est également nulle. Il y a donc équivalence entre le travail et la chaleur ; c'est le premier principe de la thermodynamique ou principe de l'équivalence. Ainsi, dans la turbine d'une centrale électrique, l'eau reçoit la quantité de chaleur Q1 de la source chaude où elle se vaporise, fournit le travail W en se détendant dans la turbine et cède la chaleur Q2 à la source froide en se refroidissant : Q 1 - W - Q2 = 0, ou W = Q1 - Q2. L'énergie électrique est fournie par un générateur de courant électrique. Les dynamos ou les alternateurs transforment l'énergie mécanique en énergie électrique. L'énergie électrique est dépensée dans un circuit électrique où elle est transformée en chaleur par effet Joule dans tout conducteur, en énergie mécanique dans un moteur, en énergie chimique par électrolyse. Dans l'électrolyse de l'eau, l'eau est décomposée en hydrogène et en oxygène. L'énergie chimique est l'énergie mise en jeu dans les réactions chimiques. Dans le réacteur de la fusée Ariane, l'énergie chimique du mélange hydrogène-oxygène est transformée au cours de la combustion en chaleur, puis en énergie mécanique. Dans une pile, les réactions chimiques qui se produisent fournissent de l'énergie électrique. L'énergie du rayonnement est l'énergie transportée par la lumière sous forme de photons. À une radiation de fréquence $ correspondent des photons d'énergie h$, h étant la constante de Planck. L'énergie des photons peut être transformée en chaleur : c'est par exemple le chauffage par l'infrarouge. Elle peut être transformée en énergie chimique : c'est par exemple la synthèse chlorophyllienne. Elle peut servir à arracher les électrons d'un métal ; elle se transforme alors en énergie électrique : c'est l'effet photoélectrique. En mécanique relativiste, l'énergie de masse E = dmc 2 est l'énergie qui apparaît lorsque la masse d'un système diminue de dm, c étant la célérité de la lumière. C'est la relation d'Einstein. Dans une centrale nucléaire, les noyaux de 235U, bombardés par des neutrons, se scindent en plusieurs morceaux. Dans le Soleil et les étoiles, des noyaux d'hydrogène fusionnent. Dans les deux cas, la masse des produits de la réaction est inférieure à la masse des produits initiaux, et de l'énergie est libérée sous forme d'énergie cinétique désordonnée des noyaux et des particules formés et d'énergie rayonnante. Au cours de toutes ses transformations, l'énergie se conserve. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats Ariane bilan énergétique calorie célérité cinétique combustible Einstein Albert Einstein Albert - La théorie de la relativité générale Joule James Prescott masse matière particule - 2.PHYSIQUE photosynthèse physique - La révolution galiléenne et la naissance de la physique classique L'apogée de la physique classique : électromagnétisme et thermodynamique rayonnement - Classification des rayonnements rayonnement - Introduction réaction - 1.CHIMIE sciences (histoire des) - La matière - Du calorique au kWh thermodynamique travail - 1.PHYSIQUE turbine uranium watt wattheure Les médias énergie - les énergies de récupération L'origine de l'énergie sur la Terre Il n'est pas facile de définir l'énergie totale d'un système, mais il est en général possible de définir les échanges d'énergie qu'il subit, lesquels, en dernier recours, résultent toujours de l'action de forces qui déplacent leur point d'application. Les physiciens ont classé l'ensemble des forces existant dans l'Univers en quatre catégories. Deux d'entre elles sont des forces qui s'exercent entre des particules, même si celles-ci sont très éloignées l'une de l'autre : ce sont la force gravitationnelle et la force électromagnétique. Les deux autres ont une portée extrêmement courte, limitée à l'intérieur des noyaux des atomes : ce sont la force faible et la force forte. L'immense majorité des échanges énergétiques sur Terre relève des deux premières forces ; seules la radioactivité et l'énergie nucléaire mettent en jeu les deux dernières. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats électromagnétisme force gravitation radioactivité - Radioactivité naturelle et radioactivité artificielle Terre - La naissance et l'âge de la Terre - L'énergie interne La circulation de l'énergie. Il est intéressant de suivre, par exemple dans le processus qui va de la production d'énergie au coeur du Soleil jusqu'à son ultime transformation en chaleur sur la Terre, où, quand et comment chacune des quatre forces intervient dans les échanges d'énergie. La chaîne de réactions de fusion qui se déroule dans le coeur très chaud et très dense du Soleil aboutit à la formation d'un noyau d'hélium à partir de quatre protons, avec dégagement de 25,7 MeV (millions d'électronvolts). Ces réactions font intervenir la force faible (pour chaque transformation d'un proton en neutron avec émission d'un positron et d'un neutrino), et la force forte pour assurer la cohésion du noyau d'hélium. L'énergie utile émise est essentiellement formée de rayonnement (, l'énergie emportée par les neutrinos étant pratiquement irrécupérable. Au cours du trajet qui les amène du coeur vers la surface, ces photons ( subissent d'innombrables collisions avec des noyaux et des électrons, au cours desquels ils perdent une partie de leur énergie. Les forces qui interviennent lors de ces collisions sont de nature électrique. La force gravitationnelle se manifeste dans les mouvements de convection qui participent eux aussi au transfert de l'énergie vers la surface. Du Soleil jusqu'à la Terre, l'énergie est véhiculée par les photons du rayonnement solaire qui pénètrent dans l'atmosphère terrestre. Une partie d'entre eux est absorbée par des molécules de la haute atmosphère, qui soit se transforment chimiquement, soit s'échauffent. L'absorption d'un photon par une molécule ou un atome fait intervenir les interactions électriques. Le reste atteint la Terre. Pratiquement tous les processus de transformation qui suivent font intervenir les forces électriques ; les réactions chimiques (synthèse chlorophyllienne dont les produits servent à alimenter des réactions biologiques ou non, réactions de combustion) se ramènent à des déplacements de charges électriques, et l'énergie chimique est de l'énergie potentielle électrique. Beaucoup de mécanismes physiques de transfert d'énergie font intervenir des forces mécaniques (forces de pression), où des atomes sont en contact les uns avec les autres et se repoussent ; là encore, les forces d'interaction sont d'origine électrique. Dans certains cas, la force de gravitation sert de relais, par exemple lorsqu'elle communique de l'énergie cinétique à une chute d'eau, mais, en fin de course, la pression de l'eau sur les aubes de la turbine se fait par l'intermédiaire des forces électriques, ainsi que, bien entendu, la génération d'énergie électrique dans l'alternateur. À la fin de ses multiples avatars, l'énergie se retrouve sous forme d'agitation thermique de molécules à une température probablement égale à la température moyenne de la surface du globe. Une dernière intervention des forces électriques permet à ces molécules d'émettre une partie de cette énergie thermique sous forme de photons infrarouges qui quittent la Terre vers le cosmos. Ce processus est indispensable pour que la Terre, qui reçoit chaque seconde du Soleil 1017 watts, reste à température à peu près constante en émettant en permanence autant d'énergie qu'elle en reçoit. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats force gamma (rayons) infrarouge neutrino photon Soleil - La structure interne du Soleil - Le modèle solaire standard Les médias énergie - bilan terrestre de l'énergie solaire Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats force gamma (rayons) infrarouge neutrino rayonnement - Le rayonnement thermique - Le rayonnement solaire Les livres environnement - flux de l'énergie et cycle de la matière dans les sociétés industrielles, page 1665, volume 3 énergie - le Soleil est la source de toutes les énergies, page 1668, volume 3 énergie - bilan terrestre de l'énergie solaire, page 1668, volume 3 Les sources d'énergie industrielles Jusqu'à une date relativement récente, l'homme n'a pu vivre qu'en étroite symbiose alimentaire et énergétique avec les effets directs de l'énergie solaire rayonnée, ou avec ses effets faiblement différés au rythme de la durée des cycles végétaux. La synthèse chlorophyllienne des plantes vertes permet en effet, par captation d'énergie solaire, de réduire le gaz carbonique atmosphérique très stable en glucides métabolisables, fournissant ainsi à l'humanité sa nourriture directe (consommation de plantes vertes) ou indirecte (consommation de plantes parasites non chlorophylliennes et d'animaux), mais également sa seule source de chauffage artificiel, par combustion de bois et de résidus divers, végétaux ou animaux. L'homme utilisa également l'agitation thermique de l'atmosphère, dans la navigation à voile et les moulins à vent, ainsi que l'effet des précipitations dues à l'évaporation des océans, dans les moulins à eau. Les combustibles fossiles. Si la dépendance alimentaire à l'égard de l'énergie solaire ne s'est pratiquement pas desserrée, une première révolution énergétique correspondit à la prise de conscience du fait que, des millions d'années avant l'apparition de l'homme sur Terre, la fossilisation de résidus végétaux et animaux avait abouti à la constitution de stocks souterrains considérables de charbon. C'est au XIIIe siècle seulement que l'on commença à exploiter les affleurements de charbon, puis que germa l'idée de suivre les veines qui s'enfonçaient dans le sol, après épuisement des ressources superficielles : l'exploitation minière venait ainsi de naître. L'existence du pétrole, quant à elle, était connue depuis longtemps à travers ses produits de dégradation superficielle comme le bitume et l'asphalte, mais aussi à travers des suintements de liquide léger, comme certains textes anciens semblent le montrer. Mais l'idée d'une exploitation industrielle de cette ressource n'intervint que beaucoup plus tard, au XIXe siècle, déclenchant alors un processus de développement exponentiel. Le gaz naturel n'apparut tout d'abord qu'en tant que gaz associé au pétrole, se séparant spontanément de celui-ci lors de sa détente à la sortie des puits jaillissants, ou comprimé au-dessus du liquide, dans les roches magasins. Or la prospection devenue systématique à travers le monde amena la découverte, à partir de 1920, de nombreux gisements de gaz dits « secs «, qui, même s'ils contiennent généralement un peu de condensats, ne sont pas liés à un gisement de pétrole proprement dit. Les techniques de transport et de distribution de ce combustible se développèrent alors très rapidement. Malgré les efforts simultanés d'équipement des sites hydrauliques rentables, c'est l'énergie des combustibles fossiles qui permit l'éclosion de la révolution industrielle et accompagna ensuite, très majoritairement, son développement jusqu'à nos jours. Voir aussi le dossier pétrole. Il semblerait que, depuis l'ère primaire jusqu'au XIXe siècle, la teneur en gaz carbonique de l'atmosphère terrestre ait continuellement diminué. La prolifération de la végétation terrestre et marine (et, notamment, du plancton chlorophyllien) entraînait en effet une fixation du gaz carbonique plus rapide que son dégagement par le feu et par les volcans. Un équilibre paraissait atteint au XIXe siècle (300 ppm environ vers 1890), mais le processus s'est brutalement inversé, et cette teneur atteint actuellement 330 ppm. Les conséquences à long terme d'un tel phénomène ne sont pas facilement prévisibles. S'il est clair que l'on est très loin de tout seuil de toxicité, il est en revanche possible que l'on s'approche d'une teneur à partir de laquelle l'amplification de l'effet de serre (absorption par le gaz carbonique du rayonnement infrarouge émis par le sol) commencera à être perceptible ; elle se traduira par une petite élévation de la température moyenne du globe. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats asphalte bitume fossiles (combustibles) gaz naturel gisement houille matière première mine - 1.INDUSTRIE pétrole pollution - Les principales causes de pollution - La production d'énergie serre (effet de) techniques (histoire des) - La révolution industrielle Les médias charbon - chaudière à lit fluidisé L'énergie nucléaire. La maîtrise, récemment acquise, des techniques de production massive d'énergie à partir de réacteurs de fission contrôlée apporte une solution possible au problème évoqué ci-avant. Les centrales de fission d'uranium 235 relèvent certes d'une technique délicate et potentiellement dangereuse, si elle est mal mise en oeuvre et mal exploitée, mais elles sont devenues d'usage courant et sont bien maîtrisées dans la version actuelle PWR. En ce domaine, la France s'est taillé une place enviable en remplaçant l'intégralité de sa production thermique sur combustibles fossiles par une production nucléaire, aux besoins près de réglage et de pointe qui sont assurés, pour l'essentiel et au-delà de ce que peut l'hydraulique, par des centrales minières spécialisées, brûlant des bas-produits invendables. La relève généralisée des centrales thermiques par des centrales nucléaires de fission est possible : les ressources prouvées en uranium sont importantes, les techniques de retraitement des combustibles permettent déjà un recyclage modéré de plutonium sur les réacteurs PWR actuels et, s'il le fallait, la technique des surrégénérateurs à neutrons rapides, aujourd'hui à ses débuts, permettrait de retraiter le stock d'uranium appauvri et de refabriquer ainsi du plutonium combustible, multipliant au moins par 70 la quantité totale d'énergie que l'on pourrait tirer d'une quantité donnée d'uranium naturel. L'avenir appartient toutefois, en premier lieu, à la domestication de l'énergie de fusion, à partir de matières premières inépuisables que sont les isotopes lourd et très lourd de l'hydrogène, dont l'un est disponible dans l'eau des océans et l'autre sera élaboré dans la périphérie des réacteurs eux-mêmes. À ce stade, il est probable que l'hydrogène, obtenu par décomposition électrolytique ou thermique de l'eau, entrera en concurrence avec les carburants classiques, assurant ainsi l'obsolescence finale des combustibles fossiles de toute nature. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats centrales - Les centrales nucléaires combustible nucléaire EDF (Électricité de France) fission France - Géographie - La vie économique - L'industrie Hague (cap de la) hydrogène plutonium pollution - Les principales causes de pollution - La production d'énergie réacteur - 3.INDUSTRIE NUCLÉAIRE résidu surgénérateur techniques (histoire des) - La civilisation industrielle moderne uranium Les médias fission Les énergies renouvelables. En dehors de l'énergie hydraulique, les énergies renouvelables n'ont guère donné lieu, jusqu'à présent, qu'à des productions locales alimentant des sites isolés ou/à des productions d'appoint. L'éolienne la plus puissante au monde est une construction gigantesque portant un rotor de 75 m de diamètre et produisant 3 MW (îles Orcades). Il en faudrait plus de 400 pour remplacer un seul bloc nucléaire du programme français. La généralisation de ces techniques pourrait entraîner une pollution esthétique et sonore des sites. Par ailleurs, la disponibilité de l'énergie produite est très aléatoire. La captation directe de l'énergie solaire débouche, quant à elle, sur des réalisations intéressantes de chauffage d'appoint, mais surtout de climatisation d'appoint dans les pays équatoriaux et tropicaux (l'appel de puissance est parallèle à l'ensoleillement, alors que le chauffage est souvent appelé, en zone tempérée, par temps couvert). Une production directe d'énergie thermique est possible, et le prototype d'une véritable centrale à énergie solaire (300 MW) est en construction en Californie. Les essais de production photovoltaïque se poursuivent également un peu partout dans le monde, sans avoir encore réussi à dépasser quelques centaines de kW par unité. La géothermie permet d'exploiter des nappes d'eau chaude souterraines, généralement pour des besoins sanitaires et de chauffage. Ces eaux sont souvent très agressives et posent des problèmes délicats de choix des matériaux. Au-delà d'une certaine teneur en sels dissous, il est indispensable de les réinjecter. Enfin, l'exploitation du gigantesque potentiel thermodynamique des océans n'a cessé d'exciter l'imagination des chercheurs et des réalisateurs, sans jamais déboucher jusqu'à présent sur des réalisations industrielles. Ce potentiel est lié à la différence de température existant entre les eaux de surface des océans et leurs eaux profondes qui sont partout à 4 o C, température du maximum de densité de l'eau, et qui sont renouvelées par la fonte des banquises. Dans les zones tropicales et équatoriales, où l'eau de surface est toujours à une température supérieure à 25 o C, il est possible de concevoir un cycle thermique fonctionnant entre 25 o C environ et un peu plus de 4 o C : il serait constitué par deux grands caissons sous dépression, l'un alimenté en eau de surface qui s'évapore et l'autre refroidi en eau à 4 o C, condensant par mélange la vapeur du premier. L'écoulement de vapeur du premier vers le second caisson se ferait à travers un étage unique de turbine (un distributeur et une roue). Le débit d'eau à remonter du fond devrait être assez grand pour éviter un réchauffement significatif lors de la condensation par mélange : le coût de la construction tout autant que la fragilité de l'ouvrage de captation correspondant sont tels qu'aucune réalisation n'a encore été entreprise. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats abyssales (profondeurs) barrage centrales - Les centrales hydrauliques éolienne géothermie marémoteur photoélectricité Les médias géothermie - schéma d'un doublet géothermique Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats chauffage EDF (Électricité de France) environnement - La crise de l'énergie Les livres énergie - aérogénérateurs, page 1670, volume 3 énergie - maquette de Tokamak, page 1670, volume 3 énergie - centrale solaire Solar One, en Californie, page 1671, volume 3 énergie - l'usine marémotrice de la Rance, page 1671, volume 3 énergie - raffinerie Esso au Canada, page 1670, volume 3 Complétez votre recherche en consultant : Les médias énergie - production et consommation d'énergie Les indications bibliographiques M. Battiau, l'Énergie, faits et documents, CDU-Sedes, Paris, 1982. L'Énergie au quotidien ; aspects sociologiques et éthiques de la consommation d'énergie, Labor et Fides, 1987. P. Maillet et M. Cassette-Carry, l'Énergie, PUF, « Que sais-je ? «, Paris, 1989 (1978). J.-P. Olsem, l'Énergie dans le monde, Hatier, Paris, 1984.
