« De quoi l’Énergie est‑elle le nom ? »

Le sujet est posté en Économie & Gestion, bien qu’il aurait aussi put trouver sa place en Nature & Environnement, parce qu’il s’agit bien d’un problème de gestion et de consommation de ressources avant d’être une question d’environnement. C’est la mauvaise gestion des ressources énergétique qui vient d’abord, puis dans un second temps que se pose la question du respect de l’environnement en conséquence de cette mauvaise gestion, et il est question ici de la production et de la consommation des ressources énergétique d’abord, et de ce qu’est l’énergie pour la physique et la société humaine.

L’orateur est Étienne Klein, physicien et vulgarisateur scientifique, invité par le CEA lors d’une conférence, le 12 Décembre 2012.

La page de présentation sur le site du CEA/Saclay : De quoi l'énergie est-elle le nom ? (cea.fr). Décembre 2012.

La vidéo de la conférence ci‑dessous. Dans le prochain message, des notes que je prend au fur et à mesure de l’écoute de son exposé.

De quoi l’énergie est-elle le nom ? — Étienne Klein — CEA/Saclay

Il présente un graphe, qui associe à la consommation d’énergie, un indice de développement humain. Sans énergie, l’IDH est faible, et celui‑ci augmente avec la consommation d’énergie. Mais la correspondance entre les deux n’est pas linéaire, elle a plutôt une forme logarithmique. Ceci signifie que l’IDH augmente d’abord rapidement avec la consommation d’énergie, mais que ensuite, l’IDH croit de moins en moins vite pour le même accroissement de consommation d’énergie. Au delà d’un certain seuil de consommation d’énergie, le gain d’IDH par unité d’énergie consommée, est de moins en moins bon. La france est dans le coude de cette courbe, et par exemple son IDH est à peine un peu faible que celui des États‑Unis, qui consomme pourtant deux fois plus d’énergie par habitant.

80% de l’énergie produite dans le monde, a une origine fossile. La part du charbon comme source d’énergie, est en augmentation. Les énergie renouvelables, comme l’éolien, représentent moins de 1% de la part des sources d’énergie.

Selon Étienne Klein, il s’est produit une normalisation du risque écologique qu’est le réchauffement climatique. Selon lui, il n’est plus perçu comme une menace, mais comme une chose inévitable qu’on attend en se disant qu’on devra s’y adapter. Éviter et empêcher le réchauffement, ne semble plus être au programme des politiques et des citoyen(ne)s.

Bien qu’étant issu d’un mot Grec, donc un mot ancien, le mot Énergie, n’est un concept « naturel » que depuis le siècle dernier (1900). Avant cela, il était absent du langage courant. Apparu tardivement en mécanique, puis d’abord confondu avec les notion physiques, tantôt de force, tantôt de puissance, le mot n’a commencé à être défini par la physique, et encore imparfaitement, qu’à la fin du 19‑ième siècle (vers 1840), en commençant d’abord par être assimilé à la chaleur. C’est Plank, qui a formellement défini ce qu’est l’énergie en physique, en la définissant comme une chose qui est toujours conservée tout en étant sujette à des transformations.

Même encore de nos jours, la culture populaire confond puissance et quantité d’énergie. De deux volumes égaux de pétrole et de TNT, le pétrole délivre plus d’énergie que le TNT, qui en délivre 10 fois moins, même s’il la délivre plus rapidement sous forme d’une explosion. Pour la culture populaire, le TNT délivre plus d’énergie, alors qu’il délivre plus de puissance pendant un cours instant. Bien que liées, puissance et énergie sont deux mesures physiques différentes. La puissance, c’est la capacité à délivrer une quantité d’énergie importante pendant un intervalle de temps court. Le pétrole a moins de puissance que le TNT, mais délivre plus d’énergie qu’il étale plus lentement dans le temps.

Notes : les quantités d’énergie se mesure en joules, dont le symbole de l’unité est J; les puissances se mesurent en watts, dont le symbole de l’unité est W. Une puissance de un watt est égal, par définition, à une consommation de un joule d’énergie par seconde. Le watt est donc une quantité d’énergie par (divisé par) une unité de temps, et donc le watt‑heure (W * h, et non–pas W / h), est une unité d’énergie ! En effet, une quantité d’énergie divisée par un temps multipliée par un temps, donne une quantité d’énergie. Le watt‑heure est donc une unité alternative au joule, et vaut 1 joule / 1 seconde * 60 secondes * 60, c’est‑à‑dire 3600 joules.

Le corps humain au repos, consomme 100 watts, c’est‑à‑dire 100 joules par seconde.

(la suite plus loin…)

C'est bien expliqué, je me permet juste de rajouter concernant la fin du texte que le "joule" représente l'énergie nécessaire pour déplacer 1 Newton sur 1 mètre.

La suite…

Basée sur la consommation énergétique du corps humains, des scientifiques ont eu l’idée d’inventer une manière pédagogique de donner une idée de la consommation d’énergie des choses, une sorte d’unité de mesure, qu’ils ont appelé « esclave énergétique ». Elle utilise comme quantité de base, l’énergie qui est consommée par le corps d’un humain en une journée, et une quantité d’énergie mesurée en « esclaves énergétiques » est donc le nombre d’humains qui correspondraient à cette quantité d’énergie. Comme le corps humain consomme 100 watts, une consommation de un esclave énergétique, est égale par définition, à une consommation de 100 watts pendant une journée, c’est‑à‑dire 8.64 méga‑joules [1], ou encore 2.4 kilowatt‑heure [2].

[1] (100 * 60 * 60 * 24) = 8640000 = 8640 K = 8.64 M (K = kilo, et M = méga).
[2] (100 * 60 * 60 * 24) / 3600 = 2400 = 2.4 K

Une ampoule de 40 watts, allumée en permanence, équivaut à une consommation de 0.5 esclave énergétique (voir définition plus haut). Un trajet de 50 Km en voiture, avec une voiture ayant une consommation classique, équivaut à 17 esclaves énergétiques. Un trajets de 50 Km en voiture, consomme donc à la quantité qui serait fournie par 17 esclaves pendant tout une journée. Ces ordres de grandeur étant données, cela donne une idée de ce que signifie ceci : un français moyen, consomme chaque jour, l’équivalent de 150 esclaves énergétiques.

La consommation énergétique (pour un citoyen dans la moyenne), est essentiellement pourvue par le pétrole. Selon Étienne Klein, si l’esclavage a été aboli, ce n’est pas tellement par la force des idées abolitionniste, et plutôt parce que la pétrole les a remplacé. Cette remarque explique pourquoi il parle de de mesurer les quantités d’énergie en « esclave humain énergétique ».

L’entropie, est la mesure de la capacité d’un système physique à évoluer spontanément. Plus l’entropie d’un système physique est faible, plus il est capable d’évoluer spontanément (ou de changer, il n’y aucun jugement de valeur dans l’usage du mot dans ce contexte) et réciproquement. Quand un système fermé évolue, son entropie augmente, et donc un système fermé, perd de sa capacité à évoluer, à mesure qu’il évolue.

L’entropie, qui s’applique aux systèmes physiques, s’applique aussi aux sources d’énergie, et constitue une mesure de la qualité d’une source d’énergie. Plus l’entropie d’une source d’énergie est faible, plus sa qualité est bonne. Dit d’une manière plus pratique, plus l’entropie d’une source d’énergie est faible, plus cette source d’énergie est facilement exploitable.

Deux termes mal utilisés par les médias et la culture populaire, sont ici éclaircis. L’énergie ne se crée pas, elle se transforme. Quand on dit que l’on consomme une quantité d’énergie, ont utilise en fait une quantité d’énergie de faible entropie, pour la transformer en une quantité égale d’énergie, de plus grande entropie. L’énergie n’a pas disparue, elle a été transformée, son entropie augmenté. Comme une source d’énergie est d’autant moins facilement exploitable que son entropie est élevée, cette énergie « consommée » ou plutôt transformée, est plus difficilement exploitable. On ne consomme donc pas vraiment l’énergie, on la transforme en une quantité d’énergie égale, mais qu’on ne pourra presque plus, ou plus du tout, exploiter. Le corolaire est que « créer » de l’énergie, signifie en réalité, trouver une source d’énergie de faible entropie, qui soit donc exploitable.

Consommer de l’énergie, c’est dégrader de l’énergie, augmenter son entropie. Produire de l’énergie, c’est trouver une source d’énergie de faible entropie.

Formellement et physiquement parlant, les énergies renouvelables n’existent pas. Ce qui est renouvelable, c’est le processus physique par lequel on dégrade une source d’énergie, pas cette énergie elle‑même, qui quand elle est dégradée, reste dégradée.

La conservation de l’énergie (conservation de sa quantité, et non‑pas conservation de son entropie, qui elle, varie), est une conséquence de l’invariance des lois physiques à travers le temps. Je cite, et pas la peine de me demander de le démontrer, même si selon Étienne Klein, la démonstration est simple [3]. C’est le théorème de Emmy Noether, une physicienne, qui a énoncé et démontré le théorème qui porte son nom, en 1918. Ce principe est connu en physique, sous le titre de « principe d’équivalence entre invariance des lois physiques et lois de conservation ». Albert Einstein a parlé de cette physicienne en ces mots : « il s’agit d’un monument de la pensée mathématique ».

[3] La réciproque est plus facile à « démontrer » intuitivement : si les lois de la physique n’étaient pas constantes au cours du temps, l’énergie ne serait pas conservée, elle varierait.

(la suite plus loin…)

La suite…

Dans la célèbre équations E = mc², la masse “m” est en kg, la vitesse de la lumière “c” est en m/s, et l’énergie “E” est en joules. L’énergie donnée par cette formule, est la quantité d’énergie de masse, c’est‑à‑dire une énergie qui est présente du seul fait de la masse (que cette énergie soit exploitable ou non, en partie ou non, est une autre question). L’énergie de masse ne dépend pas du matériaux, elle est la même, quelque soit le matériaux, et 1 g de sable ou de yaourt ou de bois, ont la même énergie de masse. L’énergie de masse de 1 g de matière quelconque, est égale à — par application de la formule : E = 0.001 × c² = 0.001 × 299792458² = 8,987 ×  10¹³, soit environ 90 milles milliards de joules. Pour donner une autre image, l’énergie de masse d’un moustique, est équivalente à l’énergie cinétique d’un Airbus qui volerait à 10000 km/s (km par seconde !).

Il est possible de convertir de la masse en énergie (ex. réaction nucléaire), et réciproquement, il est possible de créer de la masse à partir d’énergie (ex. collision de deux particules de grandes énergies, générant des jets de centaines de particules pour une masse totale plus grande que les deux particules initiales). Qu’il soit possible de créer de la masse à partir d’énergie, signifie qu’il est par exemple possible de créer un objet (en pratique, créer une particule) à partir par exemple de la vitesse d’un autre objet (en pratique, la vitesse d’une particule).

E = mc² est la formule d’un cas particulier. La formule générale est : E² = m²c⁴ + p²c². Le paramètre “p” est l’impulsion, également appelée, quantité de mouvement, qui est de dimension kg × m/s (une masse multipliée par une vitesse). Dans le cas le plus courant, d’une masse sans impulsion, c’est‑à‑dire une masse immobile, la composante vitesse de l’impulsion est nulle, et donc le produit de la masse par la vitesse, est nul, et donc le paramètre “p” est nul, ainsi donc que p²c², et on a E² = m²c⁴ + 0, qui se simplifie en E = mc². Pour une masse statique, l’énergie de masse est E = mc² et pour une masse en mouvement, l’énergie de masse est E² = m²c⁴ + p²c².

Quand on communique de l’énergie à un objet d’une certaine masse en l’accélérant, on augmente sa masse relative [1] ! L’accroissement de la force nécessaire pour l’accélérer encore d’autant, sera plus grande (parce que la masse aura augmenté). La masse aura encore augmenté et ainsi de suite, il sera de plus en plus difficile de l’accélérer, ce qui est à l’origine de la vitesse limite et infranchissable, qu’est la vitesse de la lumière. Ce phénomène d’accroissement de la masse, n’est cependant mesurable qu’aux très‑très grandes vitesses, et il est insignifiant aux vitesses dont nous faisons l’expérience dans le monde de tous les jours.

[1] Masse perçue depuis un contexte dans lequel la masse apparait immobile, c’est à dire depuis un contexte (ou référentiel, en langage de la physique) dans lequel on se déplace à la même vitesse que l’objet ayant été accéléré. Sous réserve que je ne me trompe pas… En effet, dans ces conditions, la masse apparait au repos, et c’est donc la formule E = mc² qui s’applique, et un accroissement de “E” ne peut y apparaitre que comme un accroissement de “m”, car “c²” est constant.

La formule E² = m²c⁴ + p²c² impliquerait, d’après le propos d’Étienne Klein, qu’une particule peut avoir de l’énergie sans nécessairement avoir de masse. Une particule sans masse (“m” est nul), ne peut donc pas avoir son impulsion exprimée sous la forme p = mv, puisque que son impulsion serait nulle, et je ne peux donc pas en dire plus, parce que je ne comprend pas.

(la suite plus tard…)

Je ne suis pas sûr que ça l’est toujours, parce que ça se corse maintenant . Je me demande aussi si je ne vais pas finir par déplacer le sujet en physiques & cie, mais j’attends la fin de l’exposé avant d’en décider.


Oui, je voulais rester simple, mais c’est bien que tu l’ai dit .

Le newton, est le produit d’une masse par une accélération : kg m/s². En langage un peu plus clair, une force de 1 newton, c’est la force qu’il faut appliquer à une masse de 1 kg, pour lui donner une accélération de 1 m/s² (chaque seconde, la vitesse augmente de 1 m/s). Quand on a fait parcourir un mètre à cette masse, dans ces conditions d’accélération, on a « consommé » 1 joule d’énergie. Pour savoir le temps que ça prend, heu… il faut faire une intégrale, et cette horreur n’est pas au programme de ce topic .

Pour compléter, un peu d’histoire de l’énergie.

Je compléterai avec des dates, plus tard et il manque aussi un nom que je devrai retrouver ailleurs.

Au 17‑ième siècle encore, la seule véritable énergie non‑humaine en usage, était le cheval.

En Hollande, bien avant le char à voile, est apparut le chariot à voile, qui servait à transporter des soldats le long des côtes. C’était il y a un peu plus de 400 ans. À cette époque et dans le même pays, Simon Stevin, veut, avec les mathématiques, améliorer l’exploitation de l’énergie du vent. Il améliore les moulins à vent, et multiplie par trois leur efficacité. La Hollande équipé de ses moulins, moue de la farine, évidemment, mais aussi, pompe de l’eau pour étendre ses terres cultivables et habitables, presse des oléagineux pour faire de l’huile, coupe du bois. C’est par exemple la coupe du bois à l’aide de l’énergie du vent, qui fera de la Hollande de l’époque, la championne du monde de la fabrication de bateau. Cet énergie qui est extraite du vent, fait de la Hollande un pays industriels et un carrefour commercial et culturel.

En Angleterre, Matthew Boulton et James Watt, s’associe pour commercialiser et concevoir une machine à vapeur plus efficace que les précédentes. Les machines à vapeur de l’époque tirait leur énergie du refroidissement de la vapeur et de la décompression aspirante qui s’en suivait. Watt a eu l’idée d’un condenseur séparé, c’est à dire qu’il éloignait la portion dans laquelle la vapeur était refroidie, du reste de la machine. Cette innovation multiplie par quatre, l’efficacité des machines à vapeur qui n’étaient alors guère utiliser que pour pomper l’eau.

Un certain Trevizit (je ne connais pas l’orthographe, je l’écrit phonétiquement), oublié par l’histoire, invente le tracteur à vapeur. Enfin, il a eu l’idée d’utiliser directement l’énergie de la pression de la vapeur, plutôt que l’énergie de sa contraction par refroidissement comme cela se faisait avant (ça parait fou, mais c’était comme ça).

Le même principe, l’utilisation de la pression de la vapeur, est appliqué à d’autres machines, par d’autres gens.

L’Angleterre faisait du non‑gaspillage un principe morale et religieux. Dans cette optique, elle avait besoin de mesurer l’efficacité des machines à vapeur, pour juger de leurs capacités à être économique, en comparaison les unes des autres. C’est ainsi que seront découvert les deux premiers principes de la thermodynamiques : aucune énergie ne se perd ni ne se crée, et aucune machine ne peut avoir un rendement énergétique de 100%.

Volta invente la pile électrique, en voulant créer un équivalent artificiel, de l’organe électrique de la raie‑torpille. Il met en évidence que l’électricité produite par cette animal aquatique, est la même que celle produite par la foudre et les machines électrostatiques. À cette époque, personne ne sait quoi faire de cette invention.

Horsted découvre le lien entre l’électricité et le magnétisme, l’électromagnétisme, quand en branchant un fil métallique sur une pile, il découvre que ceci fait bouger l’aiguille d’une boussole (la relation réciproque sera découverte plus tard, par Farady). Cette découverte va être mise à profit, pour créer le télégraphe.

La machine a vapeur et le télégraphe révolutionne le monde, mais rien ne change dans les foyers.

La découverte de l’électromagnétisme, était finalement le premier pas vers l’unification des forces en physique. À cette époque, au 19‑ième siècle, les scientifique croyait tout savoir du monde et de la physique, et l’électromagnétisme était la loi censée tout expliquer.

La relation entre masse et énergie est suspectée avant que Einstein ne la formule formellement. Elle avait été constaté avec la perte de masse des matériaux dégageant de l’énergie, découvert par Marie et Pierre Curry.

Remplaçant dans ce rôle l’électromagnétisme, l’énergie devient la nouvelle loi, le nouveau principe, censé tout expliquer.

Faraday découvre l’induction électromagnétique, la réciproque de la relation découverte par Horsted.

Qu’est ce que l’énergie ? — La fabuleuse histoire de la science — ARTE

Minute déconnage : quelqu’un(e) a déjà essayé d’aligner 147 piles de 1 volt et demie pour faire du 220 volts avec des petites piles ?

Moi pas, mais c’est une idée tordue de Jammy et Fred, dans « C’est pas sorcier » … mais même eux, ces deux fadas, ne l’ont pas fait.

À voir

Order and disorder : energy — BBC Four — 2012

1 000 m³ d’air à 80 Km, converti par une éolienne, donne la même énergie que 3 millilitres de pétrole, à peine.

1 KWh d’énergie tirée du pétrole, coûte 0,003 € (0,3 centime d’€), 1 KWh d’énergie tiré d’une éolienne, coûte 0,06 à 0,08 € (6 à 8 centimes d’€) dans le meilleur des cas qui est celui où le vent souffle en continu et où il n’y a pas besoin de stockage, et 0,25 à 0,50 € dans le cas où un stockage de l’énergie est nécessaire pour assurer sa disponibilité en l’absence de vent, ce dernier cas étant le plus probable. Source : L'énergie - Cours des Mines 2019 - Jancovici (youtube.com), à 00:43:30.

En gros, l’énergie éolienne par exemple, coûte 167 fois plus cher que l’énergie pétrolière.

Il faudrait donc que le coût de l’énergie pétrolière soit multiplié par 167 au moins, pour que les gens voient un intérêt économique à passer à une source essentiellement éolienne, ceci encore sans compter le coût environnemental d’avoir des éoliennes absolument partout, parce qu’il en faudrait en nombre énorme.

Quand on voit le chaos qu’a produit une petite augmentation du prix de l’essence, je crois qu’on ne peut même pas imaginer le chaos innommable et abominable par lequel on passerait avant de passer de l’énergie pétrolière à l’énergie éolienne, un tel chaos qu’on peut prédire qu’on ne franchirait même pas cette étape.