Énergie et transformations : cours de Seconde

Quand tu allumes une lampe, que tu pédales ou que tu fais chauffer de l'eau, quelque chose passe d'un objet à un autre ou change d'aspect. Les physiciens ont besoin d'un mot et d'une grandeur pour suivre ce « quelque chose » : c'est l'énergie. Elle intervient dès que des phénomènes physiques différents s'enchaînent, par exemple un mouvement qui produit de l'électricité, puis de la lumière.⁶

Ce cours s'appuie sur ce que tu as vu avant : les transformations chimiques (une combustion, par exemple), la synthèse d'espèces chimiques et les transformations nucléaires. Toutes ces transformations de la matière s'accompagnent de mouvements d'énergie. Nous allons apprendre à les décrire avec un vocabulaire précis.

Le concept d'énergie est abstrait parce qu'il touche à beaucoup d'autres idées de la physique : les forces, la puissance, les transformations, les échanges entre systèmes.³ Les enseignants le construisent donc pas à pas : on part des sources et des formes d'énergie, on passe aux notions de transformation (ou conversion), de transfert et de dissipation, puis on termine par la conservation de l'énergie.³ Ce cours suit exactement cet ordre.

Pour parler d'énergie, il faut distinguer deux idées : d'où elle vient (la source) et sous quelle apparence elle se présente (la forme). Prenons une éolienne : la source d'énergie est le vent, et l'éolienne transforme l'énergie du vent en autre chose.³

On rencontre en Seconde plusieurs formes d'énergie. Chacune correspond à une manière dont l'énergie est présente dans un système :

• l'énergie cinétique, liée au mouvement d'un objet ;
• l'énergie potentielle de pesanteur, liée à la position d'un objet par rapport au sol : une pomme restée accrochée à sa branche en possède ;⁴
• l'énergie électrique, liée au déplacement de charges dans un circuit ;
• l'énergie rayonnante, portée par la lumière : le Soleil en envoie vers la Terre ;⁴
• l'énergie thermique, associée à l'agitation désordonnée des particules, qui se manifeste par la température et les échanges de chaleur ;
• l'énergie chimique, stockée dans les espèces chimiques et libérée lors d'une transformation comme une combustion ;⁶
• l'énergie nucléaire, associée au noyau des atomes : la fission de l'uranium est une transformation du noyau.⁴

L'énergie ne reste pas immobile. Elle peut évoluer de deux manières, qu'il faut absolument distinguer :

• elle change de forme : c'est la conversion (on parle aussi de transformation d'énergie) ;
• elle passe d'un système à un autre : c'est le transfert.⁴

Il existe plusieurs modes de transfert. Le travail est un transfert ordonné d'énergie entre un système et son milieu extérieur ; la chaleur (le transfert thermique) est, elle, un transfert désordonné d'énergie thermique.⁶ Le transfert thermique peut notamment se faire par rayonnement, comme celui du Soleil vers la Terre.⁴

Cette règle peut surprendre. Dans la vie courante, on dit qu'une batterie « s'épuise » ou qu'on « consomme » de l'énergie. En économie, ces mots désignent la transformation de l'énergie en une forme utilisable, puis son utilisation. Au sens de la physique, l'énergie n'a cependant été ni créée ni détruite dans ces opérations : elle a changé de forme et circulé d'un système à l'autre.⁶

Si l'énergie se conserve, pourquoi parle-t-on de gaspillage ? Parce que ce qui compte pour l'utilisateur, c'est l'énergie obtenue sous la forme voulue. Pour comparer deux convertisseurs (deux moteurs, deux ampoules), on utilise une grandeur sans unité : le rendement.

Quand plusieurs convertisseurs se suivent, l'énergie utile du premier devient l'énergie d'entrée du suivant. Le rendement global de la chaîne est alors le produit des rendements : $\eta_{\text{global}}=\eta_1\times\eta_2$. Avec $\eta_1=0{,}5$ et $\eta_2=0{,}8$, on obtient $0{,}4$ : la chaîne n'utilise que 40 % de l'énergie initiale, même si chaque maillon semble correct pris seul.

Pour décrire un système réel (une centrale, une voiture électrique, une ville), on dessine une chaîne énergétique. Elle suit l'énergie depuis la source jusqu'à l'utilisation, en indiquant chaque convertisseur.

Il y a plusieurs façons d'obtenir de l'énergie utile à partir de la nature. L'énergie hydraulique (rivières, chutes d'eau) se convertit en énergie mécanique ou électrique ; le vent se convertit en énergie mécanique (voiliers, moulins) ou électrique (éolienne) ;⁵ l'énergie thermique s'obtient par la transformation chimique de combustibles solides, liquides ou gazeux, ou en captant des flux de chaleur naturels.⁵

Les transformations de la matière que tu as étudiées avant ce cours sont de grandes pourvoyeuses d'énergie. Une partie de l'énergie primaire provient en effet de transformations de la matière : la transformation chimique de combustibles produit de l'énergie thermique,⁵ et la fission de l'uranium, qui est une transformation du noyau, fournit de l'énergie nucléaire.⁴

Cette idée de stabilité se retrouve en physique : un système instable peut se transformer en un système plus stable ; la différence d'énergie entre les deux est alors convertie, et le système plus stable a une énergie moindre.⁶ L'énergie potentielle chimique en est un exemple.⁶