ÉNERGIE Vue d'ensemble

Le terme « énergie » est ambigu : son champ sémantique est immense et se décline à travers presque toutes les activités humaines, depuis les ressources psychiques que l'homme va chercher auprès de médiateurs variés jusqu'aux organismes gouvernementaux qui ont pour charge de gérer ses emplois. Le scientifique est plus exigeant quant à la définition qu'il en donne, mais, même dans ce domaine plus restrictif, les manifestations de l'énergie sont innombrables, des cataclysmes cosmiques aux mouvements cellulaires, en passant, bien sûr, par le pétrole et les centrales nucléaires.

Une des difficultés majeures de donner une définition de l'énergie tient au fait que nous employons ce terme pour désigner plusieurs concepts liés entre eux, mais que le physicien sépare catégoriquement. Pour rendre plus explicite cette séparation, observons le mythique Sisyphe, condamné pour l'éternité à accomplir une tâche absurde. L'image courante nous montre ce héros antique puissamment musclé en train de hisser vers le haut d'une montagne un énorme rocher. Tel quel, immobile, il nous suggère l'effort nécessaire pour empêcher le roc de retomber : la force musculaire avec laquelle il pousse équilibre exactement celle avec laquelle la gravitation tire le rocher vers le bas. La force s'exprime en newtons (N), et, dans cette image, des forces de quelques centaines de newtons s'affrontent.

Animons l'image : Sisyphe hisse péniblement son rocher jusqu'au sommet, produisant ainsi un travail, égal au produit de la force de poussée (en N) par le déplacement le long de la pente (en m). L'unité de travail est le joule (J). C'est l'unité d'énergie et ce que fait Sisyphe en représente quelques centaines de milliers.

Dès qu'il atteint le sommet, le rocher bascule et dévale la montagne, jusqu'à la base, au niveau même d'où Sisyphe l'avait extrait. Seule différence, le travail qu'il avait mis des heures à accomplir, la gravitation l'a reproduit en sens inverse en quelques secondes. C'est là qu'intervient la puissance, exprimée en watts (W) égale au travail fourni (J) divisé par le temps qu'il a fallu pour l'accomplir, mesuré en secondes. Là, la chute libre est bien meilleure que Sisyphe, car elle a fourni, en sens inverse, le même travail que lui, mais avec une puissance moyenne bien supérieure (10 000 W contre 100 W).

Nul doute que, dans le langage courant, le terme énergie sera appliqué sans discernement à chacune des trois étapes, alors que seule celle où le travail a été défini est pertinente.

Recensons les différentes formes que revêt l'énergie, en référence aux mécanismes par lesquels elle se manifeste. La première étape de ce classement consiste à distinguer deux formes radicalement différentes, l'énergie de mouvement et l'énergie potentielle, qu'on peut faire apparaître à partir d'un exemple simple : une balançoire. Pour mettre celle-ci en mouvement, on commence par la tirer vers le haut, puis on la lâche. Elle passe alors d'un état d'immobilité à un état de vitesse maximale, atteint lorsqu'elle est à son point le plus bas. Une fois amorcée, cette succession de deux états peut durer fort longtemps, même si personne ne pousse. Nous disons qu'au cours du mouvement, l'énergie fournie initialement à la balançoire passe d'un état correspondant à la position de celle-ci (elle est alors dite « potentielle ») à un état correspondant à son mouvement (elle est dite « cinétique ») et réciproquement. Dans ce cas précis, les deux sortes d'énergies s'échangent entre elles, mais l'énergie totale, qui en est la somme, reste (presque) constante. En effet, la balançoire finira par s'arrêter, ce qui nous laisse penser qu'il y a quand même une sorte de « perte » de l'énergie, du moins de celle que nous venons de décrire.

Il existe plusieurs sortes d'énergies de mouvement : celle de la balançoire en pleine lancée, celle du train qui roule ou d'une météorite qui fonce à travers le cosmos appartiennent au même type : l'énergie cinétique d'un solide qui se déplace en bloc. La lumière et, d'une façon générale, le rayonnement électromagnétique, ondes radio, rayonnements visible et invisible, rayons X, représentent une autre forme d'énergie de mouvement, celle des photons, dont la masse est nulle, mais qui se déplacent à grande vitesse. Une dernière forme est représentée par ce mouvement désordonné des atomes qu'on appelle « chaleur », ou énergie thermique. La chaleur est en quelque sorte la poubelle de l'énergie : c'est la forme ultime vers laquelle cette dernière tend après les avatars de sa circulation.

Telle que nous l'avons définie dans la balançoire, l'énergie potentielle, qu'on appelle également « énergie de masse », existe lorsque des forces s'exercent sur des objets ou entre des objets. Pour créer cette énergie potentielle, il n'y a, en tout et pour tout, que quatre forces fondamentales qui diffèrent entre elles par la nature des objets sur lesquels elles s'appliquent, et par leur « portée », c'est-à-dire la distance moyenne à laquelle ces objets doivent se trouver l'un de l'autre pour qu'elles se manifestent. Les forces nucléaires, faible f et forte F, s'exercent entre les particules qui forment le noyau des atomes. Elles ont une portée très limitée (10^–18 m, soit un milliardième de millionième de mm pour la force faible f et 10^–15 m, soit un millionième de millionième de mm pour la force forte F). La force électromagnétique E, qui s'exerce entre des particules chargées électriquement, et la force gravitationnelle G, qui agit sur toutes les particules ayant une masse, ont une portée infinie.

On appelle « réservoir » d'énergie potentielle tout ensemble de particules liées même temporairement les unes aux autres par une des quatre forces précédentes : la balançoire avant qu'on ne la lâche, Sisyphe sur le point d'abandonner son rocher à la pente, mais aussi le noyau d'un atome d'uranium 235 constituent, dans ce sens, des réservoirs. Sans être exhaustifs, énumérons quelques-unes des formes les plus connues d'énergies potentielles participant à des réservoirs.

Énergie mécanique : celle d'un ressort maintenu tendu ou comprimé.

Énergie gravitationnelle : celle de l'eau emmagasinée derrière un barrage hydroélectrique, qui, libérée, entraîne les aubes d'une turbine.

Énergie électrique : celle qui existe dans tous les systèmes où des charges électriques sont présentes, généralement associées par paires de charges opposées. Les mécanismes qui séparent ces charges créent des stocks distincts de charges toutes de même signe, lesquelles se repoussent entre elles et attirent les charges opposées. Ces mécanismes s'appellent des alternateurs, des piles, des nuages d'orage ou des éruptions solaires.

Énergie chimique : par exemple celle que peut libérer la combinaison du carbone et de l'oxygène en donnant du dioxyde de carbone lors de la combustion des sources d'énergie fossiles (pétrole, gaz, charbon...).

Énergie nucléaire : les particules qui forment le noyau des atomes, liées par les forces nucléaires, constituent des réservoirs d'énergie de deux sortes : ceux qui en libèrent lorsqu'on fragmente de gros atomes en atomes plus petits, par fission, et ceux qui en produisent par fusion de petits atomes en plus gros.

Un des dogmes les mieux établis de la physique est que l'énergie totale de l'Univers se conserve : soit un réservoir est totalement isolé du reste de l'Univers, et son contenu énergétique ne varie pas, soit il est en connexion avec d'autres réservoirs avec lesquels il échange de l'énergie, et c'est l'énergie totale de cet ensemble de réservoirs qui est constante. L'image que l'on peut alors se faire de l'énergie dans l'Univers est celle d'un océan d'où émergent des îles séparées les unes des autres, les seules communications étant assurées par des bateaux allant d'une île à l'autre. Ces îles, ce sont les endroits où l'énergie potentielle est stockée, les bateaux représentant l'énergie de mouvement qui circule et assure les échanges entre les lieux de stockage.

N'y aurait-il pas une contradiction entre cette conservation universelle de l'énergie, qui ne devrait que transiter d'un réservoir à un autre, et le fait que nous en « consommions », avec nos véhicules, notre chauffage et nos machines en tous genres ? En vérité, l'énergie possède une propriété qui n'a pas encore été mentionnée, sa qualité. L'énergie que nous achetons possède une certaine qualité ; ce en quoi nous la transformons, en général de la chaleur que nous répandons dans notre environnement, est égal en quantité, mais de bien moindre qualité car elle ne peut plus se transformer intégralement en une forme plus « noble ». C'est cette « dégradation » de l'énergie que nous payons dans nos factures d'électricité.

Ainsi va l'énergie, moteur primordial de tout ce qui est arrivé dans l'Univers, clé de notre vie, de notre confort et de notre développement, enjeu majeur des conflits de notre siècle, inaltérable dans son intégrité, mais sujette à une inexorable dégradation. Saurons-nous être assez sages pour ne pas abuser d'elle, pour la ménager et pour ne pas ajouter à sa dégradation celle de notre environnement ?

— Jean MATRICON