C'est quoi l'énergie ?
Si la conceptualisation philosophique et mathématique de l’énergie remonte aux grecs anciens, la première source d'énergie exploitée par l'être humain (autre que sa propre énergie), quant à elle, remonte à la préhistoire, où nos ancêtres utilisaient principalement la biomasse, comme le bois et les végétaux, pour le chauffage, la cuisson des aliments et l'éclairage.
Dans cet article, nous essaierons de répondre de façon concise à ce que sont les énergies, la façon dont nous les avons perçues au fil des siècles et comment nous l'exploitons aujourd'hui.
- Petite histoire de l'énergie
- L’électricité : une énergie produite à partir d’autres énergies
- Quelles énergies pour le futur ?
Petite histoire de l'énergie
C’est au cours de la révolution scientifique des XVIe et XVIIe siècles que les fondements de la théorie moderne de l'énergie comme nous les connaissons aujourd’hui ont commencé à émerger.
La révolution industrielle a apporté une meilleure compréhension de la chaleur avec la thermodynamique, mettant en évidence la conversion d'énergie thermique en travail mécanique.
Les recherches de Michael Faraday et James Clerk Maxwell au XIXe siècle ont établi l'unification de l'électricité, du magnétisme et de la lumière, élargissant le concept d'énergie en incluant l'énergie électromagnétique.
Au début du XXe siècle, les théories de la relativité restreinte et de la mécanique quantique ont apporté de nouvelles nuances au concept d'énergie en reliant la masse et l'énergie ensemble (E=mc²).
Dans la physique moderne, on pourrait résumer communément et simplement l'énergie comme une grandeur fondamentale exprimant la capacité d'un système à effectuer un travail. Le principe de conservation de l'énergie, également appelé "premier principe de la thermodynamique", établit que l'énergie ne peut être créée ni détruite, elle ne fait que changer de forme.
Cette loi fondamentale est essentielle pour comprendre les processus naturels et les phénomènes qui se produisent dans l'univers.
Il existe plusieurs types d'énergie, chacun étant associé à des processus spécifiques et à des propriétés distinctes.
- L'énergie cinétique est liée au mouvement d'un objet. Lorsqu'un objet se déplace avec une certaine vitesse, il possède de l'énergie cinétique, qui est proportionnelle à sa masse et au carré de sa vitesse. Plus un objet est lourd et plus il se déplace rapidement, plus son énergie cinétique sera élevée. Par exemple, une voiture en mouvement possède de l'énergie cinétique, tout comme une balle lancée dans les airs.
- L'énergie potentielle est associée à la position d'un objet dans un champ de force, comme la force gravitationnelle. Lorsqu'un objet est soulevé contre la gravité, il acquiert de l'énergie potentielle, qui dépend de sa masse, de l'accélération due à la gravité et de la hauteur à laquelle il est soulevé. Par exemple, un livre posé sur une étagère possède de l'énergie potentielle par rapport au sol.
- L'énergie thermique est liée à la chaleur. Elle résulte du mouvement aléatoire des particules constituant un système. Plus les particules bougent rapidement, plus l'énergie thermique est élevée. La température est une mesure de cette énergie thermique moyenne dans un système. Par exemple, l'eau bouillante a une énergie thermique plus élevée que l'eau froide.
- L'énergie magnétique est liée aux champs magnétiques. Lorsqu'un matériau magnétique est placé dans un champ magnétique externe, il peut emmagasiner de l'énergie magnétique. Cette énergie peut être libérée lorsqu'on modifie le champ magnétique ou qu'on retire le matériau magnétique de celui-ci.
- L'énergie chimique est liée aux réactions chimiques. Lorsque des liaisons chimiques se forment ou se rompent entre atomes ou molécules, de l'énergie chimique est échangée. C'est cette énergie qui est utilisée lors de réactions chimiques, comme la combustion du carburant dans un moteur à explosion.
- L'énergie électrique est associée au mouvement des charges électriques. Lorsqu'un courant électrique circule dans un circuit, il transporte de l'énergie électrique qui peut être utilisée pour alimenter des appareils électriques. Cette énergie est largement utilisée dans nos sociétés modernes pour de multiples applications, allant de l'éclairage à l'électronique.
- L'énergie nucléaire est associée aux noyaux atomiques. Elle est libérée lors des réactions nucléaires, telles que la fission nucléaire utilisée dans les centrales nucléaires ou la fusion nucléaire qui se produit naturellement au cœur des étoiles.
Ces différents types d'énergie sont tous liés entre eux et peuvent se transformer les uns en les autres selon le principe de conservation de l'énergie, qui stipule que l'énergie totale d'un système isolé reste constante au cours du temps. Cette interconnexion entre les formes d'énergie est l'une des caractéristiques fascinantes de la physique moderne et est essentielle pour comprendre le fonctionnement du monde qui nous entoure.
L’électricité : une énergie produite à partir d’autres énergies
L'histoire de la compréhension de la relation entre l'électricité et les autres énergies remonte à plusieurs siècles et a été marquée par les contributions de nombreux scientifiques. Au XVIIe et au début du XVIIIe siècle, des scientifiques tels que William Gilbert, Otto von Guericke et Charles François de Cisternay du Fay ont réalisé des expériences avec des objets chargés électriquement, comme des ambres frottées, et ont observé des phénomènes électrostatiques tels que l'attraction et la répulsion des charges.
Au milieu du XVIIIe siècle, Benjamin Franklin, par ses expériences avec des cerfs-volants, a avancé l'idée d'un "fluide électrique" qui circulerait entre les objets chargés positivement et négativement. Il a proposé la convention des charges positives et négatives que nous utilisons encore aujourd'hui.
En 1800, Alessandro Volta a inventé la pile voltaïque, une pile électrochimique qui pouvait produire un courant continu en utilisant des réactions chimiques. Cette découverte a été un pas essentiel vers la compréhension que des réactions chimiques pouvaient générer de l'électricité.
Au 19e siècle, les travaux d'André-Marie Ampère, Hans Christian Ørsted, Michael Faraday et James Clerk Maxwell ont jeté les bases de l'électromagnétisme. Ils ont démontré que le mouvement des charges électriques pouvait générer des champs magnétiques, et inversement, des champs magnétiques variables pouvaient induire des courants électriques.
En 1831, Michael Faraday a découvert l'induction électromagnétique, montrant que lorsqu'un conducteur est soumis à un champ magnétique changeant, cela induit un courant électrique dans le conducteur. Cela a conduit à la création de la dynamo électrique, un dispositif capable de convertir l'énergie mécanique en énergie électrique.
Au cours du 19e siècle, la compréhension de la production d'électricité s'est développée, et de nombreux scientifiques et ingénieurs tels que Thomas Edison et Nikola Tesla ont apporté des contributions importantes à la mise en place de systèmes de production d'électricité à grande échelle.
Ainsi, au fil des siècles, grâce aux découvertes et aux expériences menées par différents scientifiques, nous avons progressivement compris que l'énergie pouvait être transformée en électricité et que l'électricité pouvait être utilisée pour alimenter nos sociétés modernes. Cette compréhension a ouvert la voie à l'ère de l'électricité et de l'électrification qui a radicalement transformé notre mode de vie et nos technologies.
On peut aujourd’hui considérer que les énergies thermiques, nucléaires, hydroélectriques, éoliennes, solaires, géothermiques, des océans et de la biomasse, ont permis d’alimenter l’être humain en électricité, assurant ainsi son développement et ses avancées scientifiques.
Si les énergies fossiles et la surconsommation sont en majorité responsables du dérèglement climatique et de la crise écologique que nous vivons, les énergies renouvelables ont su s’imposer progressivement, devenant pour la première fois, en 2023 et grâce au solaire, le premier pôle d’investissement énergétique au monde.
L’énergie renouvelable à cette particularité d’exploiter des sources naturelles qui sont constamment renouvelées et ne s'épuisent pas à l'échelle humaine. Elles émettent peu ou pas de gaz à effet de serre lors de leur production, ce qui les rend plus favorables dans la lutte contre le changement climatique. Elles ont également un impact limité sur la pollution de l'air et de l'eau par rapport aux énergies fossiles.
Investir dans les énergies renouvelables
Quelles énergies pour le futur ?
Pour les curieux et les explorateurs de tous horizons, nous vous invitons à consultez notre article sur les technologies expérimentales qui tentent d'exploiter d'autres sources d'énergie : magma, vents de très haute altitude, photovoltaïque en orbite, énergie du bruit, des bactéries, etc.