Qu'est-ce que l’énergie?

Définition de l'énergie

Selon le Larousse, l'énergie se définit comme :

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 : J)

Si l’énergie au premier abord paraît être un concept plus ou moins abstrait, Einstein la reliée directement à la masse avec la célèbre formule E=mc².

Les unités de l'énergie

Ne pas confondre Joule et Watt

Deux unités existent pour caractériser les phénomènes et systèmes thermiques. On trouve tout d'abord le Joule noté J, il exprime une énergie, une quantité de chaleur ou un travail. L'autre unité est le Watt, noté W, il exprime une puissance.

Relation entre un joule et un watt

1J = 1W . 1S
1W =1J / 1S

L'unité S correspond ici à une unité de temps: la seconde.

Les erreurs

Voilà des erreurs que l'on rencontre souvent et qui par le fait ne signifient plus rien :
Cette centrale produit 1000MW/jour.
Cette centrale a produit 1000kWh pendant 1 jour.

Le cas particulier du kwh

Pour quantifier les consommations d'énergie dans l'habitat (électricité, gaz...), on utilise souvent le kWh. Mais alors le kWh, énergie ou puissance? Pour le déterminer faisons la décomposition d'un kWh :
1kWh = 1kW . 1h
1kWh = 1000W . 1h
1kWh = 1000W . 3600s
1kWh = 1000 . 3600 . 1W . 1s ce qui est bien homogène...à un Joule!

Finissons donc la conversion d'1kWh en J 1kWh = 3,6.106 J

Qu'est-ce qu'une TEP?

Les tep pour "tonnes équivalent pétrole" sont très utilisées pour les consommations d'énergie très importantes, notamment à l'échelle d'un pays. Une tep représente la quantité d'énergie contenue dans une de tonne de pétrole soit : 41,868 GJ et donc 11630 kWh.

Des outils pour faire les conversions automatiquement :)

kWh font Joules

Joules font kWh

Pour résumer

Utiliser les bonnes unités est un gage de crédibilité. Il est ainsi très (trop) courant, de faire la différence entre une personne qui "s'y connait vraiment", d'une personne qui récite son texte (comme les commerciaux, pour ne pas les citer) et qui utilisent les unités n'importe comment. Maintenant que vous savez tout sur les unités de l'énergie, vous les débusquerez rapidement!

Sources d’énergie

Les interactions élémentaires

Toutes les formes d’énergie appartiennent à une des 4 interactions élémentaires qui régissent toutes les lois physiques de l’univers (bien quelles agissent à des niveaux infiniment petits) que sont : l'interaction électromagnétique, interaction nucléaire forte, l'interaction nucléaire faible et la gravitation.

Les formes d’énergie

Il existe de très nombreuses formes d’énergie renouvelables ou non, qui sont des conséquences directes ou non de d’autres formes d’énergie. Par exemple, l’énergie éolienne dépend du vent, qui est créé par l’énergie solaire elle-même créée par l’énergie nucléaire du Soleil qui fait intervenir l’interaction nucléaire faible. Ouf...

Energie thermique

Origines

Dans un bâtiment, ce qui nous intéresse en priorité, c’est l’énergie thermique. Celle-ci provient des collisions au niveau atomiques qui dépendent de l'agiation des molécules et des atomes. Plus les molécules sont agitées, plus il y a de chances d'avoir de collision (puisque les atomes vont plus vite) donc plus on a de chaleur.

Il y a toujours des pertes...

Et oui, peut importe l’échelle à laquelle on se place, les transferts d’énergie (et plus particulièrement d'énergie thermique) se font toujours avec des pertes. Sans rentrer dans des explications thermodynamiques aussi ennuyeuses que complexes, il faut bien comprendre qu’aucune transformation n’est réversible et qu’il y a donc toujours une perte d’énergie (généralement due aux frottements). Si vous voulez allez un peu plus loin, partez à la découverte du pays de l’entropie et de l’exergie, nous garantissons l’aller mais pas le retour...

Les transferts de l'énergie thermique

Il existe trois types de transfert de l'énergie thermique, que l'on retrouve d'ailleurs dans un bâtiment, dans des proportions différentes.

Energie cinétique

Définition

Tout corps qui se déplace possède une énergie cinétique. L'énergie cinétique est la différence d'énergie entre un solide au repos et le même solide en mouvement de translation ou de rotation.

La formule

L'énergie cinétique que l'on nomme Ec se calcule comme suit:
Ec: 1/2.m.v²
Ec : Energie cinétique en Joule
m : masse du solide en (kg)

v : vitesse du solide (m/s)

Pour être plus précis

L'énergie cinétique, comme on l'a vue plus haut, est en réalité la différence d'énergie entre l'état de repos et un mouvement. Pour être plus exact, la formule devrait donc être :
ΔEc = 1/2m.v2²-1/2.m.v1²
(Avec v2 > v1 et le Δ indiquant que l'on calcule une variation)
Mais comme la vitesse au repos est nulle par définition, on retrouve bien la formule simplifiée :
Ec=1/2.m.v²

Le code de la route a-t-il raison?

Dans le code de la route, il est souvent mention qu'augmenter la vitesse par 2 augmente la distance de freinage par 4.
Nous avons maintenant l'occasion de vérifier cela, alors allons-y!

Prenons une voiture de 1t lancée à 50 km/h puis à 100 km/h
La première étape est de convertir ces données dans les bonnes unités!
v1 = 50/3,6 = 13,89m/s
v2 = 100/3,6 = 27,78m/s
m = 1t*1000 = 1000 kg

Place au calcul :
Ec1= 1/2.m.v1²=1/2.1000.13,89²= 96466 J
Ec2= 1/2.m.v2²= 1/2.1000.27,78²= 385864 J
Ec2/Ec1= 385864/96466 = 4
Au final, il semblerait bien que le code de la route ait raison!
Cela s'explique par le fait que l'énergie cinétique est proportionnelle au carré de la vitesse. Quand la vitesse est doublée, l'énergie cinétique est donc multipliée par 2²=4. En allant 3 fois plus vite, l'énergie cinétique sera donc multipliée par...9! Donc prudence...

Récupérer l'énergie cinétique

L'énergie cinétique est présente sous de nombreuses formes, notamment lors des marées, du courant dans les rivières, etc. Les moyens de la récupérer sont donc tout aussi diversifiés : Usine marémotrice, moulin, etc..

L'énergie potentielle de pesanteur

Définition

L'énergie potentielle est l'énergie contenue dans un corps dont l'altitude par rapport au plan de référence est supérieure à 0.
Nous nous intéresserons ici à l'énergie potentielle de pesanteur, c'est-à-dire qui est fonction de l'attraction gravitationnelle terrestre.

Formule

La formule de l'énergie potentielle de pesanteur :
Epp = m.g.z
Epp : Energie potentielle de pesanteur en J
m : masse de l'objet en kg
g : accélération de pesanteur : 9,81m/s²
z : altitude de l'objet en m
Exemple d'un masse d'eau de 1 m3 soit 1000 kg, à une altitude de 100 m :
Epp=m.g.z=1000.9,81.100=981000J soit 272 Wh

Il peut être également intéressant de calculer la différence d'Epp entre deux altitudes différentes, on aura alors : ΔEpp = m.g. (z2-z1)

Relation entre énergie potentielle et énergie cinétique

Dans un système où l'énergie mécanique est nulle (lorsque l'on lâche une bille par exemple) on a la relation suivante : ΔEpp + ΔEpp = 0
Cela démontre bien que si l'énergie potentielle diminue (la bille tombe) l'énergie cinétique augmente (la bille prend de la vitesse)

Comment récupérer l'énergie potentielle

Le moyen le plus connu et le plus utilisé pour récupérer l'énergie potentielle est le barrage hydraulique. En effet, la différence d'altitude entre le réservoir d'eau et l'usine de production en bas entraîne l'apparition d'une Epp. Celle-ci sera convertit en énergie cinétique (dans les canalisations qui relient les deux parties), en énergie mécanique ensuite via les turbines puis enfin en énergie électrique par les alternateurs.

Conclusion

L'énergie est un domaine aussi vaste que varié, comme peux le montrer les quelques exemples cités ici. Mais au contraire de certains domaines, l'énergie est assez bien connu par la science, grâce notamment à quelques grands messieurs comme Newton, Carnot et bien d'autres. Reste maintenant à se servir de leurs connaissances pour l'utiliser au mieux et avec le plus de parcimonie possible...

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#1 - Benjamin (Admin) - 05.09.16

Bonjour 12345678,
La relation qui lie les 2 est le temps.
1 W = 1J x 1 seconde
Donc 1 W/m² = 1J/m² x 1 seconde

#0 - 12345678 - 04.09.16

Bjr quel est la relation entre j/m2 et w/m2
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