Les formes de l'énergie
L'énergie mécanique (Em) est la plus connue, parce qu'elle est enseignée dans toutes les écoles du monde. Elle s’appuie sur l'espace géométrique d'Euclide et la théorie de l'attraction des corps développée par Newton. Elle nous permet « d'expliquer » qu'il faut de l'énergie pour gravir un escalier, pour prédire le mouvement des planètes, prédire les marées et les éclipses avec une très grande précision, pour envoyer des fusées sur la lune et les planètes proches ou au niveau du centre de notre système solaire. Ces prédictions sont le fruit de calculs mathématiques (le calcul différentiel et intégral) développés par Newton et Leibnitz dont les bases sont enseignées dans les lycées scientifiques et dans les universités pour les calculs précis. Il sont accessibles avec des logiciels ou applications spécialisés. Ces travaux donnent la définition physique de l’énergie acquise par un corps de masse m soulevé de 1m comme comme étant égal à la masse du corps multiplié par l'accélération de la pesanteur de la terre g et le déplacement du corps de 1m (variation de hauteur). Ceci s'écrit de façon universelle dans un langage mathématique bien codifié et non ambigu : Em = m x g x l où x signifie multiplié par. Cette équation illustre parfaitement la simplification apportée par les mathématiques qui permettent de regrouper un grand nombres d’expériences réelles ou virtuelles par exemple que la chute d'un kilogramme de plomb se fait à la même vitesse qu'un kilogramme de plume dans le vide.
L'énergie thermique (ET) ou chaleur est connue depuis encore plus longtemps avec la notion de puissance du feu. La description de l'énergie thermique a bénéficié de tous les travaux sur les machines à vapeur pour donner une autre formule synthétique qui est le produit de la masse du corps que multiplie une constante dépendant de la nature du corps appelée chaleur spécifique et de la différence de température DT entre l'état final et l'état initial: ET = m x c x DT .
L'énergie sismique (Es), aujourd’hui d'actualité du fait du séisme en Birmanie, se produit lors d'une secousse du sol résultant de la libération brusque d'énergie accumulée par les contraintes exercées sur les roches. Cette libération d'énergie se fait par rupture le long d'une faille, généralement préexistante. Plus rares sont les séismes dus à l'activité volcanique ou d'origine artificielle. L'expression de l'énergie sismique est donnée par l'échelle de Richter ou ses dérivées.
L'énergie électrique (Ee) est liée aux charges électriques de la matière faite d'atomes composés de charges électriques négatives de l’électron (e-) et de charges positives des protons (p+) présents dans les noyaux atomiques, avec une valeur opposée strictement égales : (e-) = - (p+). Notons que ces notions ne sont universellement admises que depuis 130ans ! L'énergie s'exprime par Ee = I x DV où DV signifie la différence de potentiel entre l'état final et l'état initial d'un courant électrique I qui exprime le nombre charges par unité de temps qui circulent entre les 2 états. Le potentiel est une notion mathématique qui permet de s'affranchir de déterminer le chemin parcouru entre les 2 états ( la différence de potentiel électrique entre le nuage et la terre ne dépend pas de la forme de l'éclair).
L'énergie chimique (Ec) est liée aux réactions chimiques par exemple la réaction du méthane avec l'oxygène dégage du gaz carbonique, de l'eau et de la chaleur (énergie thermique) suivant la réaction :
CH4 + 2 O2 → CO2 +2 H2O + Et
Ce type de réaction chimique sert de base pour les calculs du bilan carbone utilisé dans l'évaluation des effets de l'anthropocène.
L'énergie nucléaire(En) est liée aux transformations des noyaux atomiques soit de fission comme :le bombardement d'un noyau d'Uranium 235 par un électron qui entraîne la formation d'uranium 236 qui se scinde en un noyau Krypton 92 et un noyau de Baryum 141 avec la production de 3 neutrons et d'une grande quantité d'énergie (1000 fois plus qu'une réaction chimique) selon :
23592U + 10n → 9236U + 14156Ba + 3 10n + Et
soit une réaction de fusion comme la réaction du deutérium (noyau d'hydrogène avec un neutron qui un isotope naturel stable du noyau d'hydrogène) avec le tritium (noyau d'hydrogène avec 2 neutrons qui un isotope radioactif du noyau d'hydrogène) pour former de l'Hélium et l’éjection d'un neutron selon la réaction de fusion :
21H + 31H→ 42He + 10n + Et
avec la libération d'énergie thermique encore près de 100 fois plus importante que la réaction de fission nucléaire que l'on ne sait malheureusement pas maîtriser.
Il existe encore beaucoup d'autre formes d'énergie mais leur description ne permet toujours pas de trouver une définition générale l'énergie. Richard Feynman (prix Nobel de physique) a écrit que bien qu'ayant étudié l'énergie toute sa vie, la définition qui lui semblait pertinente était que l'énergie est une grandeur numérique qui se conserve. L'exemple qu'il donne d'une grandeur numérique qui se conserve est le nombre de cubes d'une boite de cubes.
La mesure de l'énergie
La grandeur numérique de l'énergie qui se conserve est sa mesure qui dépend des unités et donc des moyens d'effectuer cette mesure. En physique l'énergie s'exprime en Joule qui est l'énergie qu'il faut fournir pour élever 1kg (1 litre d'eau) dans un champ de pesanteur de 1 mètre par seconde carré (le champ de pesanteur créé par la terre est de 9,81 m/s2) d'une hauteur de 1m. En chimie l'énergie s'exprime en calorie : la calorie est la quantité de chaleur qu'il faut fournir à un gramme d'eau pour le faire passer de 15,5°C à 16,5°C. En physique nucléaire l'énergie s'exprime en électronvolt qui est l'énergie acquise par un électron soumis à une différence de potentiel électrique de 1 volt (le courant électrique domestique est 240 volt en Europe). Notre facture d'électricité exprime notre consommation d'énergie en kilo Watt heure (kWh). L' énergie rayonné par notre téléphone portable s'exprime en Hertz ( fréquences 2,8 GHz). La lumière transporte de l'énergie suivant sa couleur :le violet est la couleur la plus énergétique avec une longueur d'onde de 400 nanomètres et le rouge est couleur la moins énergétique avec une longueur d'onde 800 de nanomètre. On pourrait citer de nombreux autres exemples où la mesure de l’énergie s'exprime de façon encore différente. Ces différentes expression traduise l'absence de définition générale de l'énargie.
La principale propriété de l'énergie
Heureusement la principale propriété de l' énergie c'est que c'est une grandeur numérique qui se conserve. En effet pendant longtemps les travaux des chimistes avaient montré que la masse se conservait : « rien ne se perd , rien ne se crée » mais Einstein a montré que la masse dépendait de la vitesse de l'objet et qu'elle pouvait se transformer en énergie. On retrouvait une notion fondamentale, déjà proposée par l'étude des machines à vapeur, nommé le premier principe de la thermodynamique : l'énergie est une grandeur qui se conserve. On peut calculer des équivalents énergétiques entre toutes formes d'énergie en passant par le Joule qui est la grandeur que l'on essaye de rendre la plus universelle possible en évitant d'utiliser des références à des objets naturels connus de façon peu précise comme l'eau pure.
La comptabilité carbone émerge à partir de 1995 avec la Convention-cadre des Nations unies sur les changements climatiques puis le protocole de Kyoto. En France, les lois Grenelle I (2008) et Grenelle II (2010) rendent obligatoire la réalisation d'un bilan des émissions de gaz à effet de serre (BEGES) pour les plus grosses entreprises, les collectivités territoriales et les établissements publics. Le bilan carbone en tonnes équivalent de CO2 ( tCO2e) est sensé rendre compte du réchauffement de la planète (son gain énergétique) par la production de 7 gaz et de la vapeur d'eau. Cette expression de l'énergie produite par les humains devait rendre plus clair les bilan énergétique de la planète. La complexité des modèles a permis de développer des logiciels, des entreprises, des marchés, des taxes et donc des fraudes plus qu'une clarification du bilan énergétique de la planète.
L'évolution de l'énergie sur terre
Il existe 3 sources d'énergies pour la planète. Le soleil qui par son rayonnement a déjà produit le charbon, le pétrole, le gaz naturel et il fournit actuellement en plus de la chaleur, du courant électrique par effet photo électrique ou par les éoliennes ou encore par les barrages hydroélectriques. L' intérieur du globe avec la géothermie et enfin la matière avec l'énergie nucléaire.
Si à l'origine il y avait un système parfaitement ordonné, le Big-bang a généré une dispersion de l'énergie vers un univers parfaitement désordonné ! Mais cela est une autre histoire.
à suivre et à compléter...
Daniel Grucker daniel.grucker@wanadoo.fr
Professeur émérite de Biophysique, Faculté de Médecine , Université de Strasbourg.
Références
https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie
https://fr.wikipedia.org/wiki/S%C3%A9isme
https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89chelle_de_Richter
https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/seisme-magnitude-moment-energie.xml