Qu'est-ce que l'énergie ?

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Qu'est-ce que l'énergie ? Un nombre qui ne change pas

Un mot de tous les jours

On manque d'énergie le matin, on boit une boisson « énergisante », on paie sa facture d'énergie, on parle de transition énergétique : le mot est partout. En physique, il a un sens précis, et un peu déroutant.
L'énergie, c'est ce qui permet de changer quelque chose : chauffer de l'eau, mettre une voiture en mouvement, soulever une charge, éclairer une pièce, faire pousser une plante. Elle passe d'un objet à l'autre et change de forme sans arrêt. Mais son total, lui, ne bouge jamais.

Énergie et chaleur : une ampoule, un barrage et une flamme, la chaleur qui s échappe à chaque conversion

Le principe de ce cours : un objet que vous connaissez avant chaque idée, de vraies valeurs, vérifiées, et cinq animations à manipuler. La seule formule du cours est au chapitre 5, et elle se dit en une phrase.

Le mot vient du grec energeia, l'activité, la force en action, chez Aristote. Le physicien anglais Thomas Young l'emploie dans son sens moderne en 1807, pour l'énergie du mouvement ; avant, on parlait de « force vive ».

Les cubes de Denis la Malice

Le physicien américain Richard Feynman, prix Nobel 1965, expliquait l'énergie avec une histoire. Un enfant a 28 cubes de bois, impossibles à casser. Chaque soir, sa mère les compte : 28.

un soir, il en manque deux : elle les retrouve sous le tapis ;
un autre soir, il y en a 30 : un copain en a oublié deux ;
un jour, la boîte à jouets est fermée à clé : elle la pèse, et en déduit combien de cubes il y a dedans ;
un autre jour, l'eau du bain est trouble : la hauteur de l'eau lui dit combien de cubes y sont tombés.

À force, la mère a un calcul : les cubes qu'elle voit, plus ce que lui dit le poids de la boîte, plus ce que lui dit la hauteur de l'eau... et le total fait toujours 28.
L'énergie, c'est la même chose, sans les cubes. On calcule à part l'énergie du mouvement, celle de la hauteur, de la chaleur, de la lumière, et le total ne change jamais. Personne n'a jamais vu « de l'énergie » : on voit de l'eau chaude, une voiture qui roule, une lampe allumée.

À retenir : l'énergie n'est pas une substance qui coule dans les fils. C'est une quantité que l'on calcule, et qui se conserve : rien ne se perd (chapitre 3).

Richard Feynman, Le cours de physique de Feynman, tome 1, chapitre 4 (1963), en lien en fin de page, en anglais. Denis la Malice, Dennis the Menace en anglais, est un garnement de bande dessinée.

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Le joule, à hauteur d'homme

L'énergie se mesure en joulesSymbole J. Du nom du physicien anglais James Joule (chapitre 3).. Un joule, c'est à peu près ce qu'il faut pour soulever une pomme de 100 grammes d'un mètre. C'est très peu : une bouilloire de 2 000 watts en avale 2 000 chaque seconde.

sur la facture d'électricité, on compte en kilowattheures : 1 kWh = 3,6 millions de joules (cours Puissance Énergie, en lien en fin de page) ;
sur les emballages, la nourriture se compte en kilocalories : 1 kcal = 4 184 J, de quoi réchauffer d'un degré un litre d'eau ;
pour les grandes quantités, on ajoute des préfixes : kilo, méga, giga, téra (fiche « (sous) Multiples », en lien en fin de page).

Ordres de grandeur de l'énergie, en joules

Soulever une pomme d'un mètre demande environ 1 joule. Une batterie de téléphone pleine contient environ 50 000 joules, la nourriture d'une journée environ 10 millions, un litre d'essence environ 32 millions, un éclair 1 à 10 milliards. La bombe d'Hiroshima a libéré 63 000 milliards de joules. La France consomme environ 1,6 milliard de milliards de joules d'électricité par an, et l'humanité environ 600 milliards de milliards de joules d'énergie, autant que le Soleil en envoie sur la Terre en une heure.

Pour se le représenter :
entre la pomme soulevée et l'énergie de toute l'humanité en un an, il y a 21 fois un facteur 10. Et l'humanité utilise en un an à peu près ce que le Soleil envoie sur la Terre en une heure (chapitre 8).

Énergie ou puissance ?

Les deux mots se confondent souvent. La puissance, c'est la vitesse à laquelle l'énergie passe : 1 watt, c'est 1 joule par seconde. L'énergie, c'est la quantité totale.

Pour se le représenter :
une piscine et le robinet qui la remplit. Le volume d'eau, c'est l'énergie ; le débit du robinet, c'est la puissance. Un petit robinet remplit la même piscine, il lui faut seulement plus de temps.

Une bouilloire de 2 000 W qui chauffe 3 minutes et une lampe LED de 10 W allumée 10 heures utilisent la même énergie : 100 wattheures chacune. La bouilloire va vite, la lampe dure.

Idée reçue :
« ce radiateur consomme 2 000 watts ». Il consomme 2 000 joules par seconde, soit 2 kWh pour chaque heure de marche. Sur la facture, ce qui compte, c'est l'énergie : la puissance multipliée par le temps (cours Puissance Énergie, chapitres 3 et Aller plus loin).