Cet article fait partie du DOSSIER consacré à l'électricité et du DOSSIER consacré à l'énergie.

 Grandeur caractérisant un système physique, gardant la même valeur au cours de toutes les transformations internes du système (loi de conservation) et exprimant sa capacité à modifier l'état d'autres systèmes avec lesquels il entre en interaction. (Unité SI le joule.)
 PHYSIQUE
 CHIMIE
 Sources d'énergie ou énergie, ensemble des matières premières ou des phénomènes naturels utilisés pour la production d'énergie.
 TECHNIQUE
 GÉOGRAPHIE

Conversions de l'énergie

L'énergie est l'un des concepts de base de la physique grâce à une propriété fondamentale : un système isolé a une énergie totale constante. Il ne peut donc y avoir création ou disparition d'énergie, mais simplement transformation d'une forme d'énergie en une autre ou transfert d'énergie d'un système à un autre.

Énergie cinétique. Travail

En mécanique classique, une particule ponctuelle de masse m et de vitesse  a, par définition, une énergie cinétique . L'énergie cinétique totale d'un ensemble de particules est la somme des énergies de chacune des particules. Pour modifier l'énergie cinétique d'un objet de masse M, il faut modifier la vitesse de celui-ci et donc faire agir sur lui une force . La variation d'énergie cinétique entre deux instants t₁ et t₂ est égale au travail de la force au cours du déplacement M₁M₂ de l'objet entre t₁ et t₂ :

.

Le travail est moteur si l'énergie cinétique augmente et résistant en cas contraire.

Énergie potentielle

Le travail dépend en général du chemin suivi pour aller de M₁ à M₂. Lorsqu'il ne dépend pas du chemin suivi, mais seulement des positions initiale et finale M₁ et M₂, on peut associer à une fonction U(M), appelée énergie potentielle, dépendant de la position du point M et telle que le travail entre M₁ et M₂ soit égal à la variation de U :

W(M₁ → M₂) = U(M₁) − U(M₂).

À chaque type d'interaction correspond une énergie potentielle particulière : électrostatique, de gravitation, élastique, etc.

Énergie mécanique, conservation de l'énergie

Conservation de l'énergie mécanique

L'énergie mécanique est la somme de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle. Pour un système isolé, sans interaction avec d'autres systèmes, elle est constante au cours du temps. Au cours du mouvement, l'énergie cinétique peut se transformer en énergie potentielle et vice versa sans que leur somme ne change (exemple : pendule oscillant).

Toutefois, du fait de la résistance de l'air et des frottements du fil du pendule avec son axe, le mouvement du pendule oscillant (système non isolé) finit par s'amortir. Mais la perte d'énergie due aux frottements est aussi une énergie : elle se manifeste sous la forme de chaleur.

La chaleur, forme d'énergie

La chaleur apparaît donc comme une limitation de l'énergie mécanique. Ce concept, qui va bien au-delà de la sensation physique (brûlure, par exemple), est très difficile à appréhender simplement – c'est l'un des sujets principaux de la thermodynamique. Ludwig Boltzmann, au XIX^e s., a donné une interprétation microscopique de la chaleur qui aide à comprendre le phénomène du frottement. Dans le modèle atomique d'un gaz contenu dans un récipient, les molécules sont animées d'un mouvement chaotique et aléatoire : elles s'entrechoquent et rebondissent sur les parois. Chacune d'elles a une vitesse et produit donc une énergie cinétique. À l'échelle macroscopique, ce gaz est constitué d'un nombre très grand de molécules, si bien que l'on observe et mesure des phénomènes qui ne sont que des moyennes statistiques de grandeurs corpusculaires. Par hypothèse, Boltzmann a identifié l'énergie cinétique moyenne des molécules avec la température ; celle-ci peut alors s'interpréter comme une mesure de l'agitation moléculaire, dite agitation thermique. La chaleur est produite par l'augmentation de la température, donc par l'augmentation d'agitation des molécules, ce qui se traduit par un accroissement de l'énergie cinétique de celles-ci. Ainsi, la chaleur est une des formes de l'énergie mécanique, mais, du fait qu'elle concerne une énergie mécanique microscopique et non macroscopique, c'est une énergie « dégradée », non directement utilisable sous forme de mouvement à l'échelle humaine.

Énergie et relativité

En relativité, la loi de conservation de l'énergie demeure exacte, mais l'expression de l'énergie cinétique est modifiée : un objet de masse M se déplaçant à une vitesse v a une énergie  ; où c est la vitesse de la lumière. Pour v = 0, l'énergie n'est pas nulle et vaut E₀ = M c², appelée énergie au repos ou énergie de masse. Cette relation, inconnue en mécanique classique, implique une équivalence entre masse et énergie, qui peuvent se transformer l'une dans l'autre : ce type de transformation est courant en physique nucléaire et en physique des particules. Une autre conséquence de la relation vitesse-énergie est l'impossibilité pour une particule de masse non nulle d'atteindre la vitesse de la lumière c, puisqu'il faudrait lui communiquer pour cela une quantité d'énergie infinie.

L'énergie associée à la liaison des atomes dans les molécules est appelée énergie chimique.

Énergie chimique

Un milieu réactionnel peut absorber ou produire de l'énergie sous différentes formes : mécanique, calorifique, électrique, lumineuse, etc.

Dans les combustions, l'énergie chimique est utilisée et transformée en énergie mécanique, calorifique ou autres. On parle de pouvoir calorifique ou chaleur de réaction rapportée à l'unité de masse de combustible.

Dans les réactions explosives, une grande partie de l'énergie est dégagée sous forme de travail mécanique, le reste sous forme de chaleur ou d'énergie de radiation.

Dans les piles et les accumulateurs, l'énergie chimique produit directement de l'énergie électrique ; au contraire, une réaction d'électrolyse en consomme.

Les corps phosphorescents émettent de la lumière en subissant des transformations chimiques, tandis que l'assimilation chlorophyllienne du gaz carbonique de l'air par les plantes (photosynthèse) ne peut se faire qu'avec absorption d'énergie lumineuse.

L'énergétique chimique comprend donc un grand nombre de branches, dont chacune rend compte des échanges d'une forme donnée d'énergie.

Pour plus d'informations, voir l'article énergie chimique.

L'énergie se manifeste par la production de chaleur, de travail ou de rayonnement. Depuis qu'il a domestiqué le feu, l'homme utilise des matières premières (bois, puis charbon, pétrole, uranium, etc.) et des phénomènes naturels (vent, rayonnement solaire, marées, etc.) pour en tirer de l'énergie. Mise en jeu dans l'ensemble des activités humaines contemporaines, cette énergie extraite du milieu naturel pose actuellement deux problèmes fondamentaux : celui de l'épuisement de ses sources principales et celui de l'impact croissant de la consommation humaine sur l'environnement.

Les différentes formes d'énergie

L'énergie est disponible dans la nature sous différentes formes, qui sont convertibles. On l'utilise sous forme mécanique (liée au mouvement : énergie cinétique, énergie potentielle), thermique (chaleur), électrique (engendrée par des différences de charges électriques), chimique (stockée sous la forme de liaisons chimiques, exploitée par les êtres vivants lors de la respiration et des fermentations, ou par combustion dans les moteurs thermiques), nucléaire (libérée par fission ou fusion de noyaux d'atomes) ou lumineuse (rayonnement).

On peut extraire l'énergie par combustion, du bois, du charbon, du pétrole ou du gaz. Ainsi, un moteur à explosion transforme par combustion l'énergie chimique de l'essence, tirée du pétrole, en chaleur, puis cette chaleur en mouvement.

Les sources d'énergie

On distingue deux types de sources d'énergie :

– le premier rassemble des matières premières, d'une part les combustibles fossiles, provenant de la sédimentation et de la fossilisation de plantes, d'animaux et de micro-organismes (charbon, pétrole, gaz) et, d'autre part, l'uranium et toute autre matière première à la base de la production d'énergie nucléaire ;

– le second est celui des énergies dites « renouvelables », principalement des phénomènes naturels (rayonnement solaire, vent, géothermie, énergies hydraulique et marémotrice), mais aussi des matières premières comme le bois et, plus généralement, la biomasse (matière vivante, principalement végétale).

Les matières premières fossiles et des sources d'énergie nucléaire comme l'uranium se trouvent stockées dans le sous-sol en quantités importantes, mais limitées. Leurs réserves ne se reconstituent pas à mesure qu'on les exploite, à la différence de celles de la biomasse, source d'énergie « renouvelable » car en constante régénération. Les autres énergies renouvelables, issues de phénomènes naturels comme le vent et l'ensoleillement, apparaissent inépuisables à l'échelle des civilisations humaines. Ainsi, le problème de l'épuisement des ressources ne se pose que pour les énergies fossiles, actuellement largement dominantes.

La consommation d'énergie

La consommation d'énergie

Depuis le XIX^e siècle, l'accélération de la croissance démographique de l'humanité et le développement industriel se traduisent par une formidable progression de la production et de la consommation d'énergie fossile. Or, cette augmentation de la demande et de l'utilisation provoque une crise sans précédent. Aux problèmes de la gestion des ressources et de l'approvisionnement énergétique s'ajoutent ceux de l'impact de la consommation mondiale sur l'environnement et le climat.

En constante augmentation, la consommation mondiale d'énergie s'accélère sous l'effet de la mutation économique des grands pays asiatiques, notamment la Chine et l'Inde, tandis que les pays d'Europe et d'Amérique du Nord demeurent les plus gros consommateurs. La consommation mondiale annuelle d'énergie primaire, de l'ordre de 11 milliards de tonnes d'équivalent pétrole (tep) en 2007, s'accroît d'un peu plus de 2 % par an . Le pétrole vient en tête, avec 35 % de la fourniture, devant le charbon, 28 %, le gaz naturel , 20 %, l'hydroélectricité et les énergies renouvelables, 11 %, le nucléaire, 5 %.

Énergie et environnement

Les énergies fossiles sont des énergies polluantes. La combustion du charbon, du pétrole et, dans une moindre mesure, du gaz naturel, libère dans l'environnement des substances toxiques, polluantes, et des gaz à effet de serre, notamment du gaz carbonique (ou dioxyde de carbone) et du méthane. Parmi les sources d'énergies renouvelables, le bois et les biocarburants libèrent les mêmes types de substances lors de leur combustion.

L'énergie nucléaire représente une alternative aux autres énergies fossiles, tout en assurant une certaine indépendance énergétique à des pays pauvres en ressources pétrolières, tels que la France. Toutefois, la production d'énergie dans les centrales nucléaires n'est pas sans risques (catastrophe de Tchernobyl en 1986). En outre, le combustible nucléaire n'est qu'en partie recyclable : les déchets radioactifs doivent être isolés pour limiter la contamination de l'environnement.

Si elles représentent un modèle d'énergies « propres », les énergies renouvelables d'origine solaire, éolienne, hydraulique, géothermique ou marémotrice, sont encore marginales à l'échelle des consommations nationales. Toutefois, quelques pays, comme la Finlande, atteignent un niveau important de production avec les énergies renouvelables, qui représentent plus du quart de leur production totale d'énergie finale.

Par ailleurs, l'exploitation des énergies renouvelables n'est pas sans effet sur l'environnement (construction d'infrastructures comme les barrages, fabrication des matériaux, mise en œuvre entraînant des nuisances…), bien qu'elles soient beaucoup moins polluantes que les énergies fossiles. Les pays et les institutions internationales déterminent les normes à respecter pour toute installation énergétique.

Les choix énergétiques

L'épuisement des ressources d'énergies fossiles, qui semble inévitable au cours du XXI^e siècle, rend nécessaire le développement d'autres formes d'énergie, mais aussi la maîtrise de la consommation à l'échelle mondiale. L'usage massif du pétrole et du charbon provoque le rejet dans l'environnement de nombreuses substances polluantes, notamment du CO₂ (dioxyde de carbone, ou gaz carbonique), l'un des principaux responsables de l'accroissement de l'effet de serre.

La prise de conscience du problème au niveau international s'est manifestée lors du Sommet de la Terre, à Rio, en 1992. Elle a permis la mise au point d'une Convention sur les changements climatiques et a abouti à la signature du protocole de Kyoto, pour la réduction par les pays industrialisés des émissions de gaz à effet de serre entre 2008 et 2012, par rapport à celles de 1990. Entré en vigueur en 2005, le protocole de Kyoto a été ratifié par 175 États (2007), mais pas par les États-Unis, plus gros émetteurs de CO₂ avec la Chine (pays qui a ratifié le protocole et dont les taux par habitant demeurent bien inférieurs à ceux des États-Unis). Toutefois, le 44^e président américain, Barack Obama, a annoncé au lendemain de son élection en novembre 2008, un changement radical d'attitude des États-Unis face au réchauffement climatique, après huit ans de déni de l'administration Bush ; il s'est notamment engagé à faire revenir les émissions de gaz à effet de serre à leur niveau de 1990 d'ici 2020.

De leur côté, en 2007, les États membres de l'Union européenne se sont fixé l'objectif global de 20 % d'énergies renouvelables à l'horizon 2020, parallèlement à une réduction de 20 % des gaz à effet de serre.

À l'échelle mondiale, l'hydroélectricité est la première énergie renouvelable : elle représente les neuf dixièmes de toutes les énergies renouvelables. Toutefois la biomasse (biocarburants), l'énergie éolienne et l'énergie solaire ont un fort potentiel de développement.

En France, en 2006, 78,1 % de la production totale d'électricité était d'origine nucléaire, 10,4 % provenaient des centrales thermiques, 11,1 % de l'hydraulique et 0,4 % de l'éolien et du solaire.

→ biomasse, charbon, énergie solaire, éolien, gaz, géothermie, hydroélectricité, marée, nucléaire, pétrole, .

La production d'énergie

L'énergie a des sources et des formes variées, donc sa mesure globale nécessite des conversions. L'équivalence calorifique de 1 t de pétrole (tep) se situe à 1,5 t pour la houille, à près de 4 t pour le lignite, à 1 100 m³ pour le gaz naturel, à 4 500 kWh pour l'électricité primaire. La production mondiale s'élevait à 500 Mtep vers 1900, environ 1 500 Mtep à la veille de la Seconde Guerre mondiale, s'accroissant rapidement après celle-ci, jusqu'en 1974 (6 000 Mtep). La progression s'est ralentie, avec l'extension de la crise, et la production se situe à 8 000 Mtep en 1994. Le charbon (houille et, accessoirement, lignite) a été longtemps prépondérant, et représente encore 75 % de la production énergétique mondiale en 1937. Il a été supplanté dans les années 1960 par le pétrole : 48 % de la production totale en 1973. La part du pétrole (encore dominant) a diminué depuis : environ 40 % aujourd'hui, celle du charbon s'est un peu redressée : 27 % en 1973, 29 % actuellement. Le poids du gaz naturel continue à s'accroître lentement : il satisfait aujourd'hui plus de 20 % des besoins énergétiques. La part de l'électricité primaire s'est récemment fortement accrue (6 % en 1970, environ 10 % maintenant), essentiellement grâce à l'essor du nucléaire.

Une grande partie de la production provient d'un petit nombre de pays ou régions. En tête, viennent les États-Unis (18 %) dont le poids relatif a diminué, comme celui du Moyen-Orient pétrolier (18 % de la production mondiale en 1973, à peine 12 % aujourd'hui, apport devenu inférieur à celui, croissant, de la Chine). L'ensemble de l'Europe occidentale fournit moins de 12 % de la production mondiale dont elle consomme en revanche le sixième. La Russie est le dernier grand producteur (charbon et surtout hydrocarbures). Les États-Unis et le Japon sont aussi de gros importateurs d'énergie. Le Moyen-Orient demeure la principale région exportatrice (450 Mtep) mais les livraisons russes (pétrole aussi, mais également gaz naturel) demeurent importantes.