Indestructible énergie

Il faut économiser l’énergie. Et préférer les énergies renouvelables aux énergies fossiles, parce que produire de l’énergie pollue et que nous consommons chaque jour plus d’énergie.

Tu entends et lis ce genre de phrases presque tous les jours, mais sais-tu ce qu’est l’énergie ? Non ? Et bien si tu habites en Suisse ou pas trop loin, demande à tes parents de t’emmener à l’exposition « Indestructible énergie » à l’Espace des Inventions de la Vallée de la Jeunesse à Lausanne. Jusqu’au 29 décembre 2013 tu pourras découvrir différents aspects de l’énergie en faisant des expériences amusantes et intéressantes pour toi et tes parents.

Si tu ne peux pas venir, télécharge le « Carnet de l’exposition« , lis-le, et demande à tes parents ou ton professeur de t’expliquer ce que tu ne comprends pas. S’ils y arrivent …

Parce que l’énergie, c’est à la fois très présent dans tout ce qui nous entoure, et très difficile à définir, très abstrait. Richard Feynman est un physicien qui a reçu le Prix Nobel en 1965 et qui a aussi écrit plusieurs livres de vulgarisation scientifique, dont certains très rigolos. Mais même lui a eu beaucoup de peine à expliquer ce qu’est l’énergie à ses étudiants. Dans son cours [1] il disait:

Il y a un fait, ou une loi si vous préférez, qui gouverne tous les phénomènes naturels que nous connaissons. Il n’y a aucune exception à cette loi : elle est exacte pour tout ce que nous savons. Cette loi est appelée la conservation de l’énergie*.

Elle dit qu’il y a une certaine quantité, que nous appelons « énergie », qui ne change pas quels que soient les changements qui interviennent dans la nature. C’est une idée très abstraite parce que c’est un principe mathématique qui dit qu’il y a une valeur numérique qui ne change pas lorsque quelque chose se produit..

Ce n’est pas la description d’un mécanisme ou quoi que ce soit de concret, c’est un fait étonnant que lorsque nous calculons un nombre, que nous observons ensuite la nature faire ses trucs et que nous calculons le nombre à nouveau, on tombe sur le même qu’avant.

Il est important de réaliser qu’en physique actuelle (NdR en 1961, mais ça n’a pas beaucoup changé), nous n’avons aucune connaissance de ce que l’énergie « est ». L’énergie n’est pas faite de petits paquets d’une certaine quantité. Ce n’est pas ça. C’est une chose abstraite qui ne nous dit rien sur le mécanisme ou la raison des différentes formules. [1]

Il faut en retenir deux choses:

1. En physique, l’énergie est « quelque chose » qui se conserve [2]. Elle est indestructible, c’est pour ça que l’exposition s’appelle « indestructible énergie ». Donc on ne peut pas vraiment « consommer » de l’énergie, ni la « produire », ni même l' » économiser » .
2. Pourtant, l’énergie intervient dans tout ce qui change, c’est pour ça qu’en pratique on distingue plusieurs sortes d’énergie qui se transforment les unes dans les autres [3], soit dans la nature, soit dans les machines et bidules que nous avons inventés. Et là effectivement il y a des sortes d’énergie qui sont plus précieuses que d’autres, donc qu’il ne faut pas gaspiller.

L’exposition explique ça très bien avec des petits bonshommes qui représentent les principales formes d’énergie: les Blips. Et puisque l’énergie totale se conserve, dans l’exposition les Blips ne meurent pas, mais ils peuvent se transformer en d’autres Blips dans les différents jeux et expériences.

Un autre problème avec l’énergie, c’est qu’on a inventé plusieurs unités pratiques pour mesurer les différentes formes d’énergie. Alors à l’exposition, les Blips représentent tous la même quantité d’énergie dans les différentes unités, pour que ce soit plus facile de les transformer.

Pour t’expliquer tout ça, je vais te présenter les Blips dans l’ordre que je préfère [4], :

Le Blip de l’énergie mécanique vaut 1000 Joules. C’est l’énergie qu’il faut pour te faire monter d’un étage. Une fois que tu es monté, tu vas garder cette « énergie potentielle » indéfiniment, sans la transformer en autre forme d’énergie jusqu’à ce que tu redescendes. C’est un avantage de l’énergie mécanique : elle se conserve très bien toute seule. Un autre avantage est qu’elle se transforme facilement en énergie électrique, et vice-versa.

Un moteur électrique transforme l’électricité en énergie mécanique avec très peu de pertes : pour te faire monter d’un étage en ascenseur, il faut convertir un ElectroBlip en MécanoBlip. Un ElectroBlip vaut 0.000278 kilowattheures (qu’on note « kWh »), c’est très très peu d’électricité. Il faudrait monter 3600 étages pour utiliser 1 kWh, qui coûte environ 20 centimes. Tu comprends pourquoi on préfère monter en ascenseur qu’à pied…

De plus, quand l’ascenseur redescend, son poids va faire fonctionner le moteur « à l’envers » et les MécanoBlips d’énergie mécanique vont être re-transformés en ElectroBlips avec très peu de pertes. Un  grand avantage des ElectroBlips c’est qu’on sait les transporter sur de grandes distances avec les câbles électriques et les lignes à haute tension. Mais on ne sait pas stocker beaucoup d’énergie électrique longtemps.

Bien sur il y a les batteries, mais elles ne stockent pas directement de l’électricité. Ce qu’elles font, c’est qu’elles utilisent l’énergie électrique pour transformer des produits chimiques, et qu’ensuite elles peuvent faire la transformation inverse pour produire de l’électricité. Une pile est donc une réserve d’énergie chimique. Tout comme la dynamite, le pétrole, un bout de bois ou tout ce que tu manges. On trouve des ChimicoBlips dans tout ce qui peut brûler ou être mangé, donc dans toi aussi 😉

L’énergie chimique se mesure en plusieurs unités comme les calories et les tonnes de TNT dont je te parlerai plus bas. Pour l’instant parlons rapidement des tonnes d’équivalent pétrole (TEP) parce que dans nos sociétés modernes nous utilisons beaucoup plus de pétrole, de charbon et de gaz que de nourriture, et que d’explosifs, heureusement.

Une tonne de pétrole, c’est à peu près ce que consomme une petite voiture en une année ou ce qu’il faut pour chauffer ton appartement pendant un hiver. Et 1 TEP, c’est plus de 4 millions de ChimicoBlips. Tu vois, dans le pétrole il y a énormément d’énergie, et comme il n’est pas cher car il suffit de le sortir de la terre on en utilise beaucoup, et on ne sait pas vraiment comment faire pour continuer à utiliser autant d’énergie quand il n’y aura plus de pétrole. En plus, lorsque le pétrole, le charbon et le gaz libèrent leur énergie chimique en brûlant (on verra plus bas ce qui se passe), ils dégagent de grosses quantités de CO2 et autres polluants, donc on se dit qu’il faudrait en utiliser moins.

On a commencé à utiliser une énergie encore plus puissante, l’énergie nucléaire, ou atomique. Certains atomes comme l’Uranium ou le Thorium n’ont besoin que d’une pichenette pour éclater en dégageant beaucoup d’énergie. Dans un seul kilo d’Uranium, il y a plus de 79 milliards de NucléoBlips, c’est 20 millions de fois plus que dans un kilo de pétrole. L’énergie nucléaire ne dégage pas de gaz, mais des déchets très dangereux pendant très très longtemps, et il y a parfois des accidents très graves comme ceux de Tchernobyl (en Ukraine) et de Fukushima (au Japon). Il faut dire que la première utilisation de l’énergie nucléaire était pour faire des bombes atomiques, dont on mesure la puissance (mais en fait c’est de l’énergie) en tonnes de TNT. Une seule de ces bombes peut dégager l’équivalent de milliers de grosses bombes « normales » et détruire des villes entières comme à Hiroshima et Nagasaki, en 1945 au Japon. Donc évidemment ça fait peur.

Mais NucléoBlip est aussi l’énergie du Soleil. Le Soleil ne brûle pas vraiment, il « fusionne » des atomes d’hydrogène. Avec un seul kilo d’hydrogène, le Soleil produit plus de 300 milliards de NucléoBlips. Et là pour une fois j’utilise l’expression « produire de l’énergie » parce que cette énergie existe depuis le début de l’Univers, mais ce sont les étoiles comme notre Soleil qui la rendent utilisable sous d’autres formes. Ca serait bien d’arriver à faire la même chose sur la Terre, mais on y arrive pas encore. Pour l’instant, on ne sait que faire des « bombes H » qui dégagent des mégatonnes de TNT. Heureusement, on ne les a jamais utilisées…

Toutes ces énergies peuvent se transformer l’une dans l’autre, mais jamais parfaitement : il y a toujours des « pertes ». Et ces pertes, ce sont principalement de la chaleur : quant un moteur ou une génératrice tournent, il chauffent, quand une pile se charge ou se décharge, elle chauffe, quand une bombe chimique ou atomique explose, elle démolit les maisons mais elle chauffe aussi beaucoup.

Après plusieurs transformations, l’énergie finit toujours par devenir de l’énergie thermique, de la chaleur. La chaleur se mesure en Calories : 1 Calorie (avec un grand C) est l’énergie qu’il faut pour chauffer un litre d’eau de 1°. Un ThermoBlip vaut environ un quart de Calorie, ça veut dire que si tu descends d’un étage en glissant sur la barrière de l’escalier, tu vas convertir ton MécanoBlip d’énergie mécanique en 1 ThermoBlip qui va chauffer la barrière, tes mains et ton pantalon. Cette chaleur aurait permis de chauffer ton bol de cacao de 1°, mais là elle est toute dispersée, tu ne vas pas arriver à transformer cette chaleur en une autre forme d’énergie, du moins pas facilement.

C’est le gros problème avec l’énergie thermique : on ne peut pas la transformer facilement en autre chose. Par exemple, quand la voiture de tes parents consomme 1 litre d’essence, les 4000 ChimicoBlips vont être convertis en 4000 ThermoBlips en brûlant. Le moteur est construit de manière à convertir la plus grande partie possible de ces ThermoBlips en MécanoBlips pour faire avancer la voiture. Il va arriver à en faire 1000, peut être 1500 si c’est un très bon moteur récent, mais le reste restera en ThermoBlips qui sortiront par le pot d’échappement. Et c’est la même chose dans toutes les centrales « thermiques » qui produisent de l’électricité en brûlant du charbon, du pétrole ou dans les centrales atomiques : on ne peut convertir en ElectroBlips qu’un tiers de ces misérables ThermoBlips. On ne peut rien y faire, c’est comme ça [5].

Le Soleil aussi convertit ses NucléoBlips en ThermoBlips. Il nous envoie cette énergie sous une forme qui peut traverser des millions de kilomètres d’espace vide : le rayonnement. Le rayonnement du Soleil est de la lumière visible, mais il existe d’autres rayonnements invisibles. En général, lorsque la lumière arrive dans de la matière, elle la chauffe, donc on mesure souvent l’énergie du rayonnement en Calories comme ThermoBlip. Mais il y a deux cas très spéciaux:

1. les panneaux photovoltaïques arrivent à convertir une petite partie du rayonnement solaire en énergie électrique. Dans ce cas, on aura tendance à mesurer cette « énergie solaire » en kilowattheures comme pour ElectroBlip
2. les plantes convertissent une petite partie de la lumière du Soleil en énergie chimique qui leur permet de vivre et grandir. Dans ce cas, le rayonnement est converti en ChimicoBlips. Lorsque tu manges, tu récupères les calories de l’énergie chimique de ces plantes pour vivre et grandir toi aussi. Les restes d’animaux et de plantes qui descendent jusqu’au fond des océans sans que personne ne les mange se décomposent pendant des millions d’années  pour former le charbon, le pétrole et le gaz naturel. On les appelle des énergies fossiles, mais c’est en fait de l’énergie solaire stockée pendant très longtemps.

Voilà, nous avons parlé de tous les Blips de l’exposition, qui correspondent à toutes les formes d’énergie connues. Enfin presque, parce que les astronomes pensent depuis une dizaine d’années qu’il existe encore une forme d’énergie que l’on connait très mal : l’énergie sombre. En fait on ne sait même pas si c’est vraiment une énergie. On ne voit son effet qu’en observant les galaxies très lointaines : elle fait gonfler l’univers [6] de plus en plus vite, comme si c’était de l’anti-gravité.

A l’exposition, ils ont eu la bonne idée de la représenter par un DarkVaBlip qui fait un peu science-fiction. D’habitude on dit « tu le sauras quand tu seras plus grand » pour éviter des explications compliquées, mais là c’est vrai : quand tu seras grand, dans dix ou vingt ans, on en saura plus sur l’énergie sombre.

D’ici là mange ta soupe pour faire le plein de ChimicoBlips à convertir en MécanoBlips et ThermoBlips demain. Et éteins la lumière !

Notes et références (pour les plus grands):

1. Richard Phillips Feynman « Le Cours de physique de Feynman : mécanique 1 » (1999) Dunod ISBN:9782100045044•WorldCat•Goodreads•Google Books
2.  c’est le premier principe de la thermodynamique
3. c’est une version moderne et plus générale de la Loi de Lavoisier « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. »
4. ça se rapporte à la notion d’exergie
5. c’est le second principe de la thermodynamique
6. voir Est-ce que l’univers est infini (question de Colin) sur Kidiscience

Auteur : Dr Goulu du blog http://drgoulu.com/