1Consommer de l’énergie contribue à améliorer nos conditions de vie : l’électricité pour nous éclairer et alimenter nos appareils, la chaleur pour le chauffage de nos habitations et pour la cuisson de nos aliments, le mouvement pour transporter les personnes et les marchandises.

2Mais dès lors que l’énergie se conserve, elle ne peut être ni créée ni détruite. Toute l’énergie dont nous pouvons disposer est donc initialement contenue dans les ressources naturelles : le Soleil, le mouvement de l’eau, le vent, la matière organique fabriquée par la photosynthèse*, les minerais… Le plus souvent, ces énergies ne peuvent pas être directement utilisées sous leur forme « originelle » et pour satisfaire nos besoins, nos sociétés ont su les transformer pour leur donner la forme voulue : l’électricité produite à partir des barrages, des centrales (combustible nucléaire ou fossile) ou des photopiles ; la chaleur, pour chauffer l’eau et les habitations, également issue de la combustion des combustibles fossiles et du bois, ou de capteurs solaires…

3Associer une forme à l’énergie, c’est caractériser quel type d’interaction est mis en jeu lorsque la matière se transforme et la façon dont ses constituants sont affectés. Toutes les interactions entre les constituants d’un système ou entre deux systèmes sont gouvernées par les quatre forces fondamentales : la force électromagnétique, les interactions forte et faible, et la gravitation.

Énergie mécanique

4À tout objet, microscopique ou macroscopique, soumis à ces forces peut lui être associée une énergie mécanique, somme d’une énergie potentielle reliée à chaque interaction fondamentale et d’une énergie cinétique. À titre d’exemple, pour amener un corps de masse m à une certaine hauteur h depuis le sol, il faut exercer une force ascendante qui s’oppose au poids dirigé vers le bas et donc fournir un travail (cf. II.1). Élever un objet dans le champ gravitationnel terrestre (d’intensité notée g) lui confère un gain d’énergie qui peut (« potentielle ») se transformer en énergie cinétique s’il est ensuite lâché. Cette énergie potentielle est égale au travail fourni qui soulève l’objet, dont l’intensité est donnée par le produit mgh. Lorsque le corps est lâché, la force gravitationnelle le conduit irrémédiablement vers le bas, et au fur et à mesure que l’altitude diminue, sa vitesse augmente. Immédiatement avant le contact au sol, l’énergie potentielle gagnée pendant la phase d’ascension a été transformée en énergie cinétique, ½ mv². En l’absence des forces de frottements, la conservation de l’énergie mécanique permet alors de relier quantitativement l’altitude et la vitesse : mgh = ½ mv². Le même phénomène est à l’œuvre dans les barrages : en ouvrant les vannes, la force gravitationnelle qu’exerce la Terre sur l’eau produit un travail qui la fait s’écouler : son énergie cinétique augmente. En bas du barrage, l’eau transfert son énergie cinétique aux pales d’une turbine, qui, couplée à un alternateur, produit une énergie électrique.

5À l’échelle microscopique, considérons une molécule isolée de toute interaction avec son environnement, formée de deux atomes identiques liés par la force électromagnétique – force qui agit comme une force de rappel lorsqu’ils s’éloignent et qui les repousse à courte distance (comme pour un ressort). Au cours de ces oscillations, l’énergie potentielle correspondante et l’énergie cinétique du système, qui caractérise le mouvement de chaque atome relativement au centre de masse de la molécule, se transforment l’une en l’autre de sorte que leur somme reste constante. À ces mouvements internes de vibration s’ajoutent ceux de rotation de la molécule.

6Le nombre de constituants dans le moindre gramme de matière est de l’ordre de 10²². La somme de leurs énergies cinétique et potentielle constitue l’énergie interne du système macroscopique. La thermodynamique différencie ces deux contributions en les reliant à des grandeurs macroscopiques. La température mesure l’agitation des constituants (translation, vibration, rotation) et donc l’énergie cinétique, qualifiée alors d’énergie thermique. À grande échelle, l’énergie potentielle traduit la cohésion globale du système (la force d’interaction entre les constituants dans un solide est plus grande que celle dans un gaz) ; à l’échelle des atomes et des noyaux, elle est respectivement qualifiée de chimique et de nucléaire. Si le système dans son ensemble est en mouvement, cette énergie cinétique globale s’ajoute à son énergie interne.

Transformation et rendement

7« Produire » de l’énergie consiste donc à transférer de l’énergie interne et/ou cinétique globale d’un système à un autre, éventuellement sous une autre forme. La conservation de l’énergie impose qu’au cours d’une transformation, toute l’énergie perdue par un système soit récupérée par l’extérieur et inversement. Ces échanges d’énergie se font sous deux formes : la chaleur (Q) et le travail des forces (W) auxquelles est soumis le système (cf. II.3). Dans les chaudières, les fumées produites à haute température (~ 1 000 °C) par la combustion du gaz transfèrent leur énergie thermique (chaleur) qui diminue au profit de celle de l’eau qui augmente, elle-même la cédant aux habitations via les radiateurs. La condensation de la vapeur d’eau contenue dans les fumées avant leur évacuation représente un gain substantiel d’énergie ce qui améliore les performances de la chaudière.

8L’énergie disponible initialement (thermique, chimique…) n’est jamais transformée intégralement sous la forme utile pour nos besoins (lumineuse, cinétique, électrique…). Les capacités des installations à transformer l’énergie d’une forme à une autre sont caractérisées par le rendement, R, qui quantifie la part de l’énergie disponible, E_dispo, qui est récupérée sous une forme utile, . Les « pertes » représentent donc l’énergie qui n’a pas été transformée sous la forme voulue.

9Prenons l’exemple d’une ampoule à incandescence qui consomme une certaine puissance électrique délivrée par une centrale nucléaire. Le filament de l’ampoule chauffé à haute température émet une puissance lumineuse (rayonnement thermique) sur un large spectre en longueur d’onde. La longueur d’onde correspondant au maximum de la puissance émise est d’autant plus petite que la température est élevée. L’énergie utile est la lumière* visible émise par l’ampoule qui ne représente qu’une fraction de la lumière totale émise, l’énergie disponible est la chaleur libérée par la fission nucléaire dans le cœur du réacteur. Le rendement global de la chaîne énergétique (de la centrale à l’ampoule) est d’environ 1,5 % (figure). Comme l’électricité consommée pour les usages domestiques se transforme en chaleur, elle contribue au chauffage des habitations et peut donc être considérée comme une énergie utile. Dans ce cas, le rendement global peut s’améliorer en hiver. Une ampoule « basse consommation » consomme cinq fois moins d’électricité pour la même production de lumière visible. Le rendement global de la chaîne est donc d’environ 7,5 %.