Énergie

L’énergie est un concept relié à ceux d'action, de force et de durée : la mise en œuvre d'une action nécessite de maintenir une certaine force pendant une durée suffisante, pour vaincre les inerties et résistances qui s'opposent à ce changement. L'énergie qui aura été nécessaire pour accomplir finalement l'action envisagée rend compte à la fois de la force et de la durée pendant laquelle elle aura été exercée. Le sens premier est celui d'une vertu morale : l'énergie morale et physique que l'homme doit mettre en œuvre pour accomplir un travail donné.

Outre l'énergie au sens de la science physique, le terme « énergie » est aussi utilisé dans les domaines économiques, pour évoquer les ressources énergétiques, leur consommation, leur développement, leur épuisement, leur impact écologique.

Étymologie et définitions

L'énergie est un concept qui remonte à l'Antiquité.

Le mot français « énergie » vient du latin vulgaire energia, lui-même issu du grec ancien ἐνέργεια / enérgeia. Ce terme grec originel signifie « force en action », par opposition à δύναμις / dýnamis signifiant « force en puissance » ; Aristote a utilisé ce terme « au sens strict d'opération parfaite », pour désigner la réalité effective en opposition à la réalité possible.

Après avoir exploité sa propre force et celle des animaux, l’homme a appris à exploiter les énergies contenues dans la nature (d’abord les vents, énergie éolienne et les chutes d’eau, énergie hydraulique) et capables de lui fournir une capacité croissante de travail mécanique par l’emploi de machines : machines-outils, chaudières et moteurs. L’énergie est alors fournie par un carburant (liquide ou gazeux, issu d'énergie fossile ou non).

Si le terme d’énergie s'est précisé dans le cadre des sciences physiques depuis le XVIII^e, il garde toutefois plusieurs sens différents, fort d'une histoire dont on trouve trace dès l'antiquité. Le terme est utilisé dans de nombreux domaines dont la philosophie, l'économie, la nutrition, la spiritualité, voire l'ésotérisme, où il se rapporte à des notions variées, et à des concepts divergents en fonction des époques, des lieux et des auteurs.

L'énergie est un concept créé pour quantifier les interactions entre des phénomènes très différents ; c'est un peu une monnaie d'échange commune entre les phénomènes physiques^[pas clair]. Ces échanges sont contrôlés par les lois et principes de la thermodynamique. L'unité de l'énergie définie par le Bureau international des poids et mesures (BIPM) dans le Système international (SI) est le joule.

Physique

L'énergie est un concept essentiel en physique, qui se précise depuis le XIX^e siècle.

On retrouve le concept d'énergie dans toutes les branches de la physique :

• en mécanique ;
• en thermodynamique ;
• en électromagnétisme ;
• en mécanique quantique ;
• mais aussi dans d'autres disciplines, en particulier en chimie.

En science physique, l'énergie, mesurée en joules, est une mesure de la capacité d'un système à modifier un état, à produire un travail entraînant un mouvement, un rayonnement électromagnétique ou de la chaleur. Le travail est ainsi un transfert ordonné d'énergie entre un système et le milieu extérieur, tandis que la chaleur est un transfert désordonné d’énergie entre le système et le milieu extérieur.

Les transformations de l'énergie qui font intervenir l'énergie thermique sont étudiées par la thermodynamique :

• le premier principe affirme que l'énergie se conserve. L'énergie ne peut ni se créer ni se détruire mais uniquement se transformer d'une forme à une autre (principe de Lavoisier) ou être échangée d'un système à un autre (principe de Carnot) ;

• le second principe impose des limitations au rendement de la transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique, électrique ou autre. La conversion d'énergie d'une forme à une autre n'est en général pas complète : une partie de l'énergie présente au départ est dégradée sous forme d'énergie cinétique désordonnée. On nomme rendement le quotient de l'énergie obtenue sous la forme désirée par celle fournie à l'entrée du convertisseur.

En pratique, on distingue souvent différentes « formes » d'énergie, telles que :

• l'énergie cinétique, associée au mouvement d'un corps ou d'une particule ;
• l'énergie thermique, énergie cinétique d'un ensemble au repos ;
• l'énergie électrique, proportionnelle à la quantité d'électricité ;
• les énergies potentielles : moyennant un petit changement, possible sans travail, un système instable se transforme en un système plus stable, avec conversion de la différence d'énergie entre les deux systèmes (le plus stable ayant une énergie moindre) : énergie potentielle mécanique, énergie potentielle chimique, énergie potentielle gravitationnelle, énergie potentielle électromagnétique, chaleur latente, énergie libre.

Économie de l'énergie

L'économie de l'énergie concerne l'approvisionnement des acteurs économiques en énergie et l'activité de l'ensemble des entreprises qui produisent, commercialisent et distribuent de l’énergie. Elle regroupe la production et la consommation d’énergie et on y distingue d'une part l'exploitation des sources d'énergie et d'autre part la production et la distribution. Cela comprend donc la production d'électricité, la distribution d'électricité, la production de produits pétroliers et celle de gaz naturel.

L'économie de l'énergie est fortement liée aux politiques énergétiques menées par les États.

Biologie

Illustration des flux et pertes d'énergie dans les écosystèmes

Comme le reste du monde physique, les êtres vivants sont soumis au deuxième principe de la thermodynamique : l'entropie —le désordre— peut soit demeurer constante soit augmenter, mais ne peut jamais diminuer.

Par rapport à ce principe fondamental, la vie constitue en soi un paradoxe apparent : comment les êtres vivants peuvent-ils se construire, croître et maintenir leur organisation — donc créer et maintenir de l'ordre — sans diminution d'entropie? Cette question a été étudiée dès 1944 par le physicien et prix Nobel Erwin Schrödinger, qui a introduit le concept de néguentropie.

Selon ce principe, les êtres vivants fonctionnent comme des systèmes dissipatifs ouverts :

1. Ils dépendent en permanence d'un flux d'énergie entrant;
2. Cette énergie est utilisée pour construire des structures ordonnées, ce qui correspond effectivement à une baisse de l'entropie interne;
3. En contrepartie, ils rejettent de la chaleur dans leur environnement, ce qui induit donc une hausse de l'entropie externe.

Dans le bilan entropique global, si l'on prend en compte à la fois les êtres vivants et leur environnement, l'entropie augmente toujours, et les lois de la thermodynamique sont respectées.

À titre d'exemple, un adulte au repos dissipe une chaleur d'environ 70 watts, soit autant qu'une ampoule conventionnelle. L'énergie ainsi dissipée chaque jour correspond à environ 1 400 kilocalories, qui doivent être compensées par un apport énergétique quotidien provenant de la ration alimentaire.

Puisque la vie dépend d'échanges énergétiques permanents, tout écosystème a besoin d'une source d'énergie, et d'organismes capables de capter cette énergie et de l'intégrer dans la chaîne alimentaire (organismes autotrophes). La biosphère terrestre dépend en premier lieu de l'énergie solaire, grâce aux organismes capables de photosynthèse (plantes, phytoplancton, algues, etc.). À un degré moindre, d'autres formes d'énergie peuvent être intégrées en complément, par exemple l'énergie géothermique pour les bactéries thermophiles.

Une fois intégrée dans la chaîne alimentaire, l'énergie est stockée sous forme d'énergie chimique, et circule au sein de réseaux trophiques, passant d'un niveau trophique à l'autre : des autotrophes vers les hétérotrophes, des proies vers les prédateurs, sans oublier le rôle essentiel des décomposeurs.

L'importance primordiale de l'énergie solaire pour la biosphère est illustrée par les extinctions massives, où un évènement catastrophique empêche le rayonnement solaire d'atteindre le sol (hiver volcanique, hiver d'impact…) : soumises au froid et privées de lumière, les plantes se raréfient, puis les herbivores meurent de faim, et c'est ensuite au tour des carnassiers. On pense que c'est un tel évènement qui a provoqué l'extinction des dinosaures à la fin du crétacé. Selon certaines théories, l'espèce humaine aurait échappé de peu à l'extinction il y a 74 000 ans, lors de l'hiver volcanique provoqué par le supervolcan de Toba.

Dans les cellules, l'énergie peut être présente sous une forme directement utilisable (adénosine tri-phosphate), ou au contraire stockée pour plus tard sous forme de sucres simples ou ramifiés (amidon), de graisse chez les animaux, d'huiles chez les végétaux.

Énergie et ésotérisme

La notion d'énergie est assez floue pour avoir donné, dans l'imagerie populaire, la conception d'une sorte de fluide qui passerait d'un objet à l'autre au cours des transformations. Dans son ouvrage « L'énergie spirituelle », de 1919, Henri Bergson affirme que comme il existe une énergie électrique, il existe une énergie spirituelle qui ne peut se réduire à l'énergie physique et biologique.

Le terme « énergie » revient fréquemment dans les discours pseudo-scientifiques du New Age, avec les ondes, ou encore dans les « pratiques énergétiques », comme le Reiki, dans lesquelles « énergie » serait une substance invisible plus ou moins définie ou d'origine divine. En physique, l'énergie est une grandeur précisément définie, quantifiable et mesurable. Ceci n'est pas le cas des « énergies psychokinétique » ou « cosmique » qui ne sont pas vérifiables ni réfutables, leur existence ne pouvant être prouvée, elles ne sont pas reconnues par la méthode scientifique.

Voir aussi

Bibliographie

• Jean-Paul Deléage, Daniel Hémery, Jean-Claude Debeir, Les Servitudes de la puissance : Une histoire de l'énergie, Flammarion, 1992
• Étienne Klein, article « Énergie », in Dominique Bourg et Alain Papaux, Dictionnaire de la pensée écologique, Presses universitaires de France, 2015 (ISBN 978-2-13-058696-8).
• (en) Vaclav Smil, Energy in World History, Westview Press, 1994

Articles connexes

• Énergie (physique)
• Énergie (économie)
• Photosynthèse
• Réseau trophique
• Pratique énergétique

Liens externes

• Émergence du concept d’énergie, revue du Palais de la Découverte, n^o 384 2013, Mayrargue Arnaud, Maître de Conférences Université Paris 12 (UPEC), IUFM ; CNRS, laboratoire SPHERE.