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    Énergie (Industrie)

    L’existence de l’énergie peut apparaître sous des masques divers et on peut ainsi sentir de quelle manière elle dépend de la situation . Dans la pratique, le choix de tel ou tel type d’énergie dépendra du but poursuivi . Pour un objectif donné, par exemple produire de l’énergie électrique, il est essentiel, selon les circonstances, de peser le pour et le contre de chaque solution envisageable, et les critères de choix sont multiples

    Exemples : Une voiture possède une énergie d’autant plus élevée qu’elle roule plus vite ; cette énergie est inférieure à celle d’un camion allant à la même vitesse . Un ressort, lorsqu’il est comprimé, a une énergie plus grande que lorsqu’il est détendu . L’énergie d’une pile électrique avant sa mise en service est plus grande que lorsqu’elle est déchargée . L’énergie d’une casserole d’eau augmente lorsqu’on la chauffe

    L’énergie se présente sous des formes très diverses. Pour chacune d’entre elles, les comparaisons effectuées montrent que l’énergie d’un système physique dépend de l’état dans lequel il se trouve . Dans les exemples ci-dessus, cet état est caractérisé par la vitesse et la masse du véhicule, la déformation du ressort, la charge . Les divers types d’énergie peuvent, au moins partiellement, prendre bien d’autres formes . Ces transformations de l’énergie sont utilisées dans la vie courante, mais chacune d’entre elles génère des pertes


    Énergie (Industrie - Dégradation)

    Il est facile de produire de la chaleur à partir d’une quantité équivalente d’énergie noble, par exemple dans des fours et chaudières, électriques ou à combustion, ou des capteurs solaires pour chauffe-eau . Mais les transformations inverses sont impossibles . Si l’on dispose d’une certaine quantité de chaleur, on ne peut pas la convertir intégralement en énergie mécanique, électrique ou chimique à l’aide d’un appareil qui fonctionnerait en cycle fermé, en revenant périodiquement à son état initial . Cette “interdiction” constitue l’une des grandes lois de la physique, confirmée par d’innombrables expériences : la nature ne nous autorise à convertir en une autre forme d’énergie qu’une fraction de la chaleur disponible, et elle impose à cette fraction de ne pas dépasser une certaine valeur maximale . C’est ce qui limite le rendement des turbines à vapeur dans les centrales électriques, des moteurs de voiture et d’avion, et de tous les engins délivrant de l’énergie mécanique à partir de l’énergie calorifique d’un gaz chaud . La chaleur apparaît souvent comme une “perte” lorsqu’on manie les autres formes d’énergie (sauf, bien entendu, si l’on a en vue le chauffage domestique ou industriel) . Afin d’exploiter l’énergie nucléaire ou l’énergie chimique dans une centrale électrique ou une automobile, on commence par produire de la chaleur par réaction nucléaire ou chimique ; seule une partie de cette chaleur peut ensuite être reconvertie en énergie électrique ou mécanique . La situation la plus favorable est celle de la conversion directe d’énergie mécanique en énergie électrique, et vice versa . Mais même dans ce cas, il est difficile en pratique d’éviter de détourner une part de ces énergies nobles vers de la chaleur . Si l’arbre d’un moteur entraîne celui d’un alternateur, le premier transforme de l’énergie électrique en énergie mécanique, et c’est l’alternateur qui reconvertit celle-ci en énergie électrique . Mais on récupère au total moins d’énergie électrique qu’on n’en a fourni ; la différence consiste en un dégagement de chaleur par effet joule, dans les bobinages ou par frottement, dans les paliers, impossible à éliminer totalement . Cette équivalence entre les énergies est comparable à celle qui existe entre des monnaies convertibles, 1 dollar valant par exemple 0,98 euro . La dissipation en chaleur joue alors le rôle des frais bancaires qui nous empêchent de recouvrer le montant initial si nous changeons des euros en dollars, puis ceux-ci à nouveau en euros . La valeur comme l’énergie sont bien conservées au total, mais pas pour nous


    Énergie (Industrie - Réserves)

    On distingue les énergies fossiles des énergies renouvelables . Les premières reposent sur l’exploitation de minéraux et combustibles formés durant l’histoire de la Terre et n’existant qu’en quantités limitées . En tenant compte de l’évolution des consommations, et de l’espoir de découvrir de nouveaux gisements, on peut estimer les réserves mondiales à quelques dizaines d’années pour le pétrole, à une centaine d’années pour le gaz ou l’uranium, à quelques siècles pour le charbon . Le développement de techniques comme celles des surgénérateurs suffirait cependant à multiplier nos réserves en énergie nucléaire par un facteur supérieur à 100


    Énergie (Industrie - Stockage)


    L’énergie ne se prête au stockage en quantité appréciable que sous certaines de ses formes

    Sa mise en réserve et sa récupération impliquent des transformations, et par suite de la dissipation . L’énergie électrique peut être emmagasinée dans des accumulateurs, sous forme d’énergie chimique . Mais la décharge d’un accumulateur fournit moins d’énergie électrique que sa charge, car les réactions électrochimiques s’accompagnent d’une assez forte dégradation en chaleur . De plus, les accumulateurs sont coûteux et lourds, puisqu’ils n’emmagasinent que 0,1 kWh par kg, ce qui est, avec le prix, la principale entrave au développement de la voiture électrique . Nos besoins en puissance électrique varient avec l’heure, en croissant par exemple rapidement le soir ; et les centrales nucléaires ont du mal à suivre ces changements . Étant donné la faiblesse des pertes de chaleur dans les échanges électromécaniques, on a imaginé d’utiliser les barrages non seulement comme sources d’énergie hydroélectrique, mais aussi comme réservoirs d’énergie . En heures creuses, l’eau est pompée du bas du barrage vers la retenue par emploi d’énergie électronucléaire, et en heures de pointe, cette eau redescend, actionne les turbines de l’usine et l’on récupère de l’électricité . Puisque cette forme de stockage passe par de l’énergie mécanique, elle nécessite de brasser de fortes masses d’eau, plusieurs tonnes par kWh emmagasiné . Les carburants, chimiques ou nucléaires, emmagasinent efficacement de l’énergie . Mais nous ne savons, en pareil cas, récupérer celle-ci que sous forme de chaleur


    Énergie (Industrie - Transformation)

    La caractéristique la plus remarquable de l’énergie est qu’elle se conserve toujours . Lorsqu’elle est transférée d’un système à un autre, ou lorsqu’elle change de nature, il n’y a jamais ni création ni destruction d’énergie . Si un objet a perdu de l’énergie, la même quantité d’énergie a obligatoirement été gagnée par un autre objet en communication avec le premier . De même, lorsque l’énergie change de forme, le bilan est toujours exactement équilibré . C’est donc par abus de langage que les journaux, les économistes ou les hommes politiques parlent de “production d’énergie”, ou de “pertes d’énergie”, puisque l’énergie ne peut être ni créée ni perdue . En réalité, dans une centrale thermoélectrique, on ne “produit” pas d’énergie, mais on transforme de l’énergie chimique ou nucléaire en énergie électrique et calorifique . Le bilan global de cette conversion est caractérisé par un rendement . Celui d’une centrale représente 33 %, ce qui signifie que pour envoyer sur le réseau 33 unités d’énergie électrique, il a fallu consommer 100 unités d’énergie nucléaire, tout en dégageant 67 unités de chaleur ; cette chaleur, évacuée dans l’environnement, par exemple par la vapeur d’eau sortant des tours de refroidissement, est donc, en général, perdue pour nous . Certaines centrales en récupèrent toutefois une partie pour chauffer des habitations ou des serres . Si l’énergie se conserve toujours, ses diverses formes ne sont pas équivalentes, car toutes les transformations concevables ne sont pas réalisables


    Énergie (Industrie - Transport)

    La relative facilité de stockage et aussi de transport sur de grandes distances du charbon, du pétrole et du gaz a été l’un des facteurs primordiaux du développement de l’industrie depuis deux siècles . L’essor de l’automobile repose aussi sur la possibilité d’emporter avec soi assez de carburant pour parcourir plusieurs centaines de kilomètres . Mais l’électricité est la seule forme d’énergie susceptible d’être à la fois transformée en quasi-totalité en n’importe laquelle des autres, et transportée au loin en grande quantité à un coût relativement faible . Les pertes de chaleur dans les lignes à haute tension et les transformateurs atteignent cependant 8 %


    Énergie (Physique)

    Bien que l’énergie soit une seule et même grandeur physique, ses diverses formes présentent des caractéristiques très différentes


    Énergie (Physique - Dégradation)

    L’expérience montre qu’un système physique livré à lui-même tend à devenir spontanément de plus en plus désordonné . Parmi les diverses formes de l’énergie, la chaleur correspond à des mouvements désordonnés des molécules . Au contraire, les autres formes d’énergie, que l’on peut qualifier de “nobles”, sont ordonnées à l’échelle microscopique . Elles ont donc
    tendance à se changer en chaleur . Ce phénomène est appelé la dissipation, et l’on dit que la chaleur est une forme dégradée de l’énergie


    Énergie (Physique - Mesure)

    C’est la propriété de conservation de l’énergie qui nous permet de mesurer, à l’aide d’une seule et même unité, les diverses formes de l’énergie

    L’énergie, dite cinétique, associée au mouvement d’un objet de masse “m” et de vitesse “v” vaut E = 1/2 mv2 ; lorsque la masse est exprimée en kilogrammes et la vitesse en mètres par seconde, cette formule donne l’énergie en joules (J), unité légale dans le système international .

    Histoire : À l’époque où l’on n’avait pas encore reconnu que la chaleur était une forme de l’énergie, l’étude des échanges thermiques avait conduit à introduire une unité de chaleur, la calorie, définie comme la quantité de chaleur à fournir à 1 gramme d’eau pour élever sa température de 1 degré Celsius . L’expérience a montré que les transformations d’énergie mécanique en chaleur, ainsi que les transformations inverses, se faisaient toujours avec le même rapport, à savoir 1 calorie pour 4,18 joules. Il y a donc équivalence entre ces deux formes d’énergie (mécanique et chaleur) .  Ceci a permis d’abandonner la calorie et de mesurer la chaleur et toutes les autres formes d’énergie, en joules


    Énergie (Physique - Puissance - Industrie)

    Les échanges d’énergie sont caractérisés, non seulement par la quantité d’énergie transférée ou transformée, mais aussi par la durée du processus . La notion de puissance est ainsi définie comme une quantité d’énergie échangée par unité de temps . L’unité de puissance, le watt, est donc le joule par seconde

    Exemples : Un radiateur électrique de 1 500 W consomme durant chaque seconde une énergie électrique de 1 500 J, et par suite, durant chaque heure (3 600 secondes), une énergie électrique de 3 600 x 1 500 J = 5 400 000 J, transformée en énergie calorifique . Ceci montre que le joule est une unité d’énergie trop petite pour nos usages courants . On emploie souvent en pratique le kilowattheure (kWh), quantité d’énergie mise en jeu par un appareil d’une puissance de 1 000 W pendant un délai d’une heure . Ainsi, 1 kWh vaut 3 600 x 1 000 J = 3 600 000 J . Le radiateur électrique considéré ci-dessus consomme, en une heure de fonctionnement, 1,5 kWh et rayonne évidemment pendant la même durée une énergie calorifique de 1,5 kWh . La consommation annuelle moyenne d’électricité par habitant en France est de plus de 7 000 kWh, le double aux États-Unis, soit 14 000 kWh, et en Afrique un peu plus de 500 kWh . Les trois quarts de l’électricité produite en France sont d’origine nucléaire, le dernier quart se partageant entre hydroélectrique et thermique (charbon, pétrole) . Mais cette électricité représente elle-même moins de la moitié de notre consommation totale . Le reste fait appel à une utilisation directe de pétrole (essence, fioul), de gaz et de charbon ; le tiers de nos besoins concerne, en effet, le chauffage des locaux, et le quart concerne les transports







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