Lettre N° 24 :

Energie, travail, puissance

Comment les physiciens définissent-ils l'énergie ?

Leur définition semble simple à leurs yeux. La voici :  

L'énergie est la capacité d’un système à modifier un état, à produire un travail entraînant un mouvement, de la lumière ou de la chaleur.

Il est fort probable que vous n'avez rien compris à cette définition abstraite. Essayons tout de même de faire comprendre cette notion par des exemples :

Modifier un état, par exemple, c’est faire passer une masse d’eau d’une position élevée à une position basse. Cela produit un travail à condition bien évidemment qu’en changeant d’état, l'eau ait entraîné la roue d’un moulin. Le système, ici, est l’installation technique du moulin.

Modifier un état c'est aussi faire passer une masse d’eau de 60° à 40°, la différence ayant servi, après avoir traversé un système de radiateurs, à chauffer votre maison.

Dans les deux exemples choisis, il y a eu modification d'un état par l'intermédiaire d'un système. Ce qui est remarquable, c'est que, dans le premier exemple, l'énergie perdue par l'eau qui a changé d'altitude a été entièrement récupérée par le moulin. On peut donc, à première vue, appliquer à l'énergie la formule attribuée à Lavoisier et qui constitue aussi le premier principe de la thermodynamique : 

 Rien ne se crée, rien ne se perd, tout se transforme

La chaleur une aussi forme d'énergie

En 1845, le britannique James Prescott démontre que la chaleur est une forme d’énergie. Il mesura, dans un calorimètre, l'augmentation de la température de l'eau provoquée par le frottement d'une roue à ailettes entrainée, à l'aide d'un système de poulies, par la chute d'une masse. Dans les unités de l'époque, il énonça qu'il fallait une énergie de 773 pieds-livres pour élever d'un degré Fahrenheit une livre d'eau. La thermodynamique était née ! En reconnaissance à sa contribution, son nom a été donné à l’unité qui quantifie l’énergie: le Joule. 

Unités les plus utilisées pour quantifier l’énergie

Suivant la forme d’énergie considérée on peut adopter des unités différentes dont les principales sont les suivantes :

• le joule [J] est l’énergie nécessaire pour communiquer à une masse d’un kg une vitesse horizontale de un mètre par seconde;
• la calorie [cal] est l’énergie nécessaire pour élever de 1° Celsius un gramme d’eau. On utilise plus généralement la grande calorie [kcal] qui correspond à l’élévation de 1° de 1000 g d’eau. 

Une calorie =  4.18 joules,   1 kcal = 4'180 joules.

• le watt seconde [Ws], unité employée en électricité, correspond à un joule. On utilise plus fréquemment le kilowattheure [kWh], (unité que nous facture notre fournisseur d’électricité) qui correspond à la consommation de 1000 watt pendant une heure, soit 3'600'000 joules. On utilise encore d’autres unités, mais il n’est pas utile de les signaler toutes ici. 

Qu’en est-il du travail ?

En physique, le travail est une notion abstraite. C’est en quelque sortes le résultat d’une dépense d’énergie qui permet de faire avancer un automobile, de chauffer votre habitation ou de de faire fonctionner votre ascenseur. Pour quantifier le travail, on utilise également le Joule qui correspond à l’a quantité d’énergie  qu’il a  fallu pour effectuer ce travail.

L'énergie semble être, à première vue, intimement liée au travail. Il est difficile de saisir la différence de ces deux notions qui utilisent toutes deux la même unité. On pourrait dire que l'énergie c'est le potentiel qui peut produire un travail. Au moment où le travail s'effectue, l'énergie semble disparaître. En réalité elle se transforme.

Et la puissance ?

La puissance reflète la vitesse à laquelle un travail peut être fourni. C'est donc la quantité d’énergie qu’un système peut fournir par unité de temps. Cela correspond donc à un débit d'énergie : si deux systèmes de puissance différents fournissent le même travail, le plus puissant des deux est celui qui est le plus rapide. La puissance s'exprime en watts, ce qui correspond à des Joules par seconde. 

Ne pas confondre kW et kWh

Dans le media, qui reflètent souvent les opinions de non experts, on confond assez souvent ces deux notions qui reflètent, la première, la puissance potentielle d’un système, la seconde, une quantité d’énergie.

Ainsi, si on pense en kW et qu’on compare la puissance d’une centrale nucléaire de 1’000 mégawatts à celle d’une éolienne de 5 mégawatts, on pourrait naïvement penser que 200 éoliennes pourraient remplacer la production d’une centrale nucléaire. C’est sans compter sur le côté aléatoire de la production de l’éolienne qui ne fonctionne qu’à peine 20% du temps. 

Si on pense en kWh, c’est à dire en quantité d’énergie produite, il faudrait alors 1’000 éoliennes pour produire la même quantité d’énergie que la centrale nucléaire. Et encore, une autre difficulté apparaît, l’absence d’un système d’accumulation d’énergie pour pailler au fonctionnement aléatoire de l’éolienne. Le problème est le même en ce qui concerne les panneaux photovoltaïques.

C’est ainsi qu’il est mensonger d’affirmer qu’une éolienne suffit pour alimenter 300 foyers car, sans le secours d’une source classique d’électricité, vous auriez intérêt à prévoir un stock de bougies pour vos longues soirées d’hiver et apprendre à vous passer du congélateur et de votre télévision !

Pour en savoir plus : https://kasuku.ch/presque-tout-sur-lenergie/

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