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    Citédoc 44 : Energie  
    Cité des Sciences et de l'Industrie - citédoc 44 - 2003-12-01      
    repères  
    Définir l'énergie
L'énergie ne doit pas être confondue avec les ressources fossiles ou minérales qui la produisent tels le pétrole, le gaz, le charbon et l'uranium, ou les ressources renouvelables telles le soleil, l'eau, le vent, la géothermie. Chaque objet se définit par une certaine quantité de matière, la masse. Il possède également une certaine quantité d'énergie. Énergie et masse sont deux caractéristiques différentes du même objet Albert Einstein l'a résumé dans sa célèbre formule "E = Mc2". On trouve de l'énergie dans tous les objets, petits ou grands, de l'atome à l'étoile, et pour la plus grande partie à l'état très condensé. L'énergie correspond à ce qu'il faut fournir ou enlever à un système matériel pour le transformer. Dès qu'une modification intervient sur n'importe quelle partie de l'Univers, on peut affirmer que de l'énergie s'est manifestée sous trois formes : chimique, mécanique, électrique. L'énergie thermique est une phase intermédiaire et dégradée.
 
   

Cinq étapes de l'histoire de l'énergie

 
   
  • D'abord l'Homme connut le travail musculaire, entretenu par la nourriture, elle même résultat d'un long processus. Traitée par une autre usine complexe, le corps humain, elle aboutit à l'usine chimio-mécanique le muscle.
  • Ensuite apparut le feu, première manifestation de l'énergie chimique résultant d'abord de la combustion du bois au contact de l'oxygène de l'air,
  • Puis, la maîtrise du vent et des chutes d'eau fournirent les premières sources d'énergie mécanique.
  • Vint alors l'invention des machines transformant la chaleur en énergie mécanique.
  • Enfin, la maîtrise de la transformation de la masse en chaleur, puis en énergie mécanique et électrique se réalisa avec l'énergie nucléaire,
 
    Force, travail, puissance : les mesures de l'énergie
L'énergie se réfère à une quantité tandis que la puissance est un débit d'énergie par unité de temps. L'unité générale d'énergie est le joule (J) qui est aussi l'unité de travail cette unité correspond à une force de 1 newton se déplaçant de 1 mètre. La puissance s'exprime en watt (1 joule/s). L'énergie s'exprime aussi en kilowattheure qui équivaut à 3,6 millions de joules et en tep, tonne d'équivalent pétrole, qui équivaut à 42 milliards de joules sous forme de chaleur.
 
   

Les trois formes de l'énergie et leurs unités d'équivalence

 
Energie
mécanique
  Le newton (N) est la force que communique a une masse de 1 kg une accélération de 1 m par seconde au carré (1 m/s2) : sous l'action de cette force, la vitesse du corps augmente de 1 mètre par seconde. L'accélération de la pesanteur (l'augmentation de la vitesse d'un corps qui tombe en chute libre) est de 9,81 mètres par seconde au carré (9,81 m/s2) à notre latitude.

Le joule est la quantité de travail produite par une force de 1 N dont le point d'application se déplace de 1 m dans le sens de la farce. Pour soulever sur une hauteur de 1 m une masse de 1 kg, il faut dépenser 9,81 j pour compenser la force de la pesanteur.
 
Energie
électrique
  Un joule est le travail fourni ou reçu par une charge électrique de 1 coulomb dont le potentiel diminue ou augmente de 1 volt (V).

Un ampère (A) est un débit d'électricité - une intensité - de 1 coulomb par seconde. La puissance, produit de la tension et de l'intensité du courant, se mesure en watt (W) et correspond à un travail de 1 joule pendant 1 seconde.

Exemple : 3'300W = 15 A x 220 V.

Les logements équipés en "tout électrique"peuvent requérir des intensités de 30 à 60 A suivant le nombre de convertisseurs appelés à fonctionner ensemble.
 
Energie
chimique
  L'énergie chimique est en fait une forme d'énergie électrique due à un échange de charges électriques entre les atomes. Elle peut être directement utilisée (pile électrique) ou mise en oeuvre par combustion, ce qui la transforme en énergie cinétique (agitation des molécules) c'est-à-dire en chaleur.

L'unité de mesure de la chaleur est la calorie, quantité d'énergie nécessaire pour élever de I degré la température de I centimètre cube d'eau, ou pour la porter de 14,5 °C à 15,5 °C sous pression atmosphérique normale.

Son équivalent mécanique est de 4,185 joules : 1 cal = 4,185 J.

Le joule est aussi l'unité de chaleur.
 
    Toutes ces formes d'énergie s'obtiennent à partir de différentes ressources : 
  • Ressources renouvelables éolienne, hydraulique, géothermique ou solaire,
  • Ressources fossiles : charbon, gaz, pétrole.
  • Le combustible nucléaire, l'uranium, qui existait avant la création de la Terre, n'est pas une ressource fossile, bien qu'il s'exploite comme tel.

L'énergie nucléaire qui apparaît dans les réacteurs, sous forme thermique puis électrique, utilise les unités de mesure correspondant à ces formes d'énergie. Les doses de radiations (alpha, bêta, gamma) accompagnant les réactions nucléaires et, absorbées par la matière, se mesurent en gray, le gray étant une quantité d'énergie absorbée de I joule par kilogramme. Pour les tissus vivants, un facteur correctif permet de définir une dose équivalente dont l'unité est le sievert (Sv).
 
    La thermodynamique
Discipline de la physique qui étudie tous les phénomènes dans lesquels interviennent les échanges thermiques. Elle a deux principes essentiels :
  • L'énergie se conserve car comme l'a formulé Lavoisier au XVIIIe siècle "rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme".
  • L'énergie se dégrade : en effet, les machines sont imparfaites dans la mesure où elles ne restituent à leur sortie qu'une partie de l'énergie reçue à l'entrée. C'est le phénomène de l'entropie.

Où passe l'énergie perdue ? Elle est présente sous forme d'énergie cinétique que nous appelons chaleur. Toute perte se traduit par un échauffement. Lorsqu'on dispose de deux corps à températures différentes, on peut ordonner une fraction de la chaleur qui passe de l'un à l'autre, c'est à dire produire de l'énergie. Cette fraction est d'autant plus grande que le rapport des températures entre les deux corps est plus important. D'un flux de chaleur allant du chaud au froid, on peut ainsi tirer de l'énergie et, inversement, en consommant de l'énergie, on peut créer un flux de chaleur allant du froid au chaud. Les machines utilisées à cette fin sont appelées des "pompes à chaleur", le réfrigérateur étant l'une des plus connues.
 
    le potentiel énergétique de la France
La France consomme environ 230 millions de tep, soit 3,2% des ressources mondiales alors qu'elle ne dispose que de 0,1% de ces réserves. Sa dépendance est très forte puisqu'elle importe près des trois quarts de ses besoins. Quelles sont ses propres ressources ?
  • La France produit peu de pétrole : 3 millions de tonnes produites et 92 consommées.
  • Le charbon s'épuise, la France en importe le double de sa production.
  • Le gisement de gaz de Lacq, en Pyrénées Atlantiques, s'épuise aussi et ne représente que le 1/10e des 30 millions de tep que nous consommons.
  • La plupart des chutes d'eau sont équipées et notre potentiel hydraulique ne peut se développer sans nuire à la protection de sites préservés.
  • En revanche, grâce à un gisement de 100'000 tonnes d'uranium (essentiellement autour du Massif central), équivalent d'un milliard de tep dans les réacteurs actuels, la France économise l'importation de 75 millions de tep en combustibles fossiles et exporte de l'électricité à hauteur de 13 millions de tep. Le nucléaire produit 75% de l'électricité, 15% étant d'origine hydraulique, et 10% d'origine fossile.
 
   

points d'interrogation

 
    Les énergies renouvelables, une solution d'avenir ?
Issues d'éléments naturels et de matière vivante (espèces végétales, vents, cours d'eau, marées, rayonnements solaires), elles sont des solutions alternatives :
  • La pluie qui nourrit les rivières offre l'énergie hydraulique mais il faut trouver à la fois des rivières à débit suffisant, des hauteurs de chutes suffisantes et des clients peu éloignés. Solution viable pour l'irrigation de pays pauvres, les investissements sont coûteux quand on veut actionner des turbines de quelque importance.
  • Le vent est trop capricieux pour offrir un rendement suffisant dans toutes les régions, l'énergie éolienne sert d'appoint à la production d'électricité. Elle permet également le pompage de l'eau des puits pour l'irrigation.
  • Le soleil nous aide à produire de l'électricité par des photopiles dont les utilisations se développent : calculatrice, borne téléphonique d'autoroute, et même "voilier"solaire; c'est le domaine d'applications qui a le plus progressé.
  • La géothermie nécessite souvent des forages profonds pour récupérer sous forme de vapeur l'eau injectée dans les profondeurs. À moyen terme, au vu des progrès' accomplis dans les forages, cette solution s'avère une des plus viables.
  • Le traitement de la biomasse est prometteur : par exemple biocarburants d'origine végétale (éthanol à partir de blé, betterave, colza ou tournesol…).
 
    Quels choix pour le futur ?
Si rien n'est préparé dans les trente ans qui viennent, nous risquons un rationnement de l'énergie, car rien ne semble devoir entraver une hausse constante de la consommation, ni les crises du pétrole, ni les dangers de pollution, ni les problèmes de stockage des matériaux dangereux. Alors comment modifier un système ? Tout changement ne peut se faire que progressivement si on considère qu'il faut plus de trente ans pour modifier un choix énergétique. Deux écoles s'affrontent : la première extrapole la consommation et les choix en fonction des ressources connues, à partir des données actuelles; la seconde anticipe l'avenir sous l'angle de l'évolution des technologies qui nous permettrait de disposer de plus d'énergie à partir d'un même stock de produits de base.
 
    la fusion nucléaire, solution miracle ?
L'énergie de fusion permettrait de reproduire ce que fait le Soleil depuis des milliards d'années avec des noyaux d'atomes légers et très abondants. Mais cela nécessite des températures d'environ 100 millions de degrés, des pressions gigantesques et d'énormes instruments pour sa production Expérimentalement, on utilise un appareil, le Tokamak (contraction de trois mots russes "Tok", "Kamera"et "Maknit"signifiant respectivement courant, chambre et aimant). Les premiers résultats avec un plasma de deutérium tritium datent de novembre 1991. Le Tokamak JET (Joint European Torus), à Culham près d'Oxford, a une puissance de fusion de 5 à 10 mégawatts pendant 1,8 seconde (temps de confinement du plasma). Cette durée est 100 fois plus élevée que celle mesurée en 1969 dans le premier Tokamak soviétique. Actuellement le JET consomme bien plus d'énergie qu'il n'en produit et on n'envisage guère une utilisation industrielle de la fusion avant le milieu du XXIe siècle.
 
   

Lexique

 
alternateur   Appareil transformant l'énergie mécanique en électricité. Pour fonctionner, il doit être mis en rotation et est donc souvent couplé à une turbine.  
biomasse   Ensemble de la masse végétale créée par photosynthèse et, par extension, les déchets organiques, animaux ou humains.  
énergies fossiles   Formées par sédimentation durant des millions d'années, elles se présentent sous forme solide (charbon), liquide (pétrole) ou gazeuse (gaz naturel).  
entropie   En thermodynamique, fonction qui traduit une dissipation d'énergie elle définit l'état de désordre d'un système qui évolue vers un état de désordre croissant. Par exemple, dans une locomotive à vapeur, l'énergie dégagée en brûlant le charbon crée un mouvement, mais une partie se perd en chaleur. L'énergie se dégrade.  
fission nucléaire   Désintégration, obtenue par bombardement, d'un noyau atomique en protons et neutrons qui subissent une série de transmutations avec libération d'énergie. L'énergie dégagée lors d'une fission peut créer une réaction en chaîne (bombe atomique ou réacteur nucléaire). L'uranium employé n'est pas le même suivant son usage, militaire ou civil.  
fission   Le noyau d'un atome lourd (uranium ou plutonium) se brise, délivrant une importante quantité d'énergie.  
fusion   Les noyaux d'atomes légers (deutérium ou tritium, par exemple) se combinent entre eux, dégageant une importante quantité d'énergie.  
géothermie   Chaleur provenant de l'intérieur de la Terre, transmise par des nappes d'eaux souterraines ou des roches chaudes. Elle sert surtout à alimenter des réseaux de chaleur.  
hydrocarbures   Composés organiques contenant seulement du carbone et de l'hydrogène, notamment tous les dérivés du pétrole brut : essences, huiles, etc.  
hydroélectrique
(énergie)
  Production d'électricité à partir de l'énergie hydraulique (fournie par les cours et les chutes d'eau) grâce à des turbines et des alternateurs.  
marémotrice
(énergie)
  Elle a pour origine la rotation de la Terre qui, combinée à l'attraction de la Lune, provoque le phénomène des marées. La centrale marémotrice de la Rance (Bretagne) transforme l'énergie du mouvement des marées et l'énergie mécanique, issue de l'eau retenue dans des barrages, en énergie électrique.  
plasma   État de la matière portée à très haute température; les atomes sont ionisés, c'est à dire dépouillés ou enrichis des électrons qui entourent le noyau.  
raffinage   Opération de dissociation du pétrole brut; par chauffage, on sépare ses différents composants pour obtenir des huiles lourdes, du gazole, de l'essence ou du gaz de pétrole liquéfié.  
uranium   Élément radioactif naturel, présent dans plusieurs minerais. L'uranium se présente sous la forme d'un mélange comportant trois isotopes : l'uranium 238, l'uranium 235 (seul nucléide fissile naturel, une qualité qui explique son utilisation comme source d'énergie) et l'uranium 234.  
       
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