Cet article a pour but d’introduire l’exposition GigOwatt créée par ExploraDôme qui sera présentée à la Rotonde de l’Ecole des Mines de Saint-Etienne du 12 février au 28 juin 2025. Cette exposition invitera le public de tout âge à s’amuser avec l’énergie et son quotidien pour imaginer demain à travers 4 pôles différents :

• L’énergie en questions : réponses à toutes les questions que vous vous posez sur l’énergie
• L’énergie en transitions : est-il nécessaire d’amorcer une transition énergétique, si oui laquelle ou lesquelles ?
• L’énergie en solutions : imaginer des solutions collectives en s’appuyant sur l’efficacité énergétique, l’économie circulaire ou encore les nouvelles technologies
• L’énergie en actions : devenir acteur du changement, les écogestes

La Rotonde vous attend nombreux à « GigOwatt ».

Nous avons besoin d’énergie pour satisfaire à nos besoins dans la vie quotidienne ou pour faire fonctionner les nombreux objets que nous utilisons : voiture, chauffage, téléphone, ordinateur, … Mais qu’est-ce que l’énergie ? Le mot français provient du latin energia issu du grec enérgeia qui veut dire ‘force en action’. Le terme énergie est employé pour désigner une capacité à modifier un état d’un système ou à produire un travail entrainant un mouvement ou générant un rayonnement électromagnétique ou de la chaleur. Quelle que soit le type d’énergie, son unité est le Joule (J) dans le Système International mais dans le langage courant est employé le kilowatt-heure (KWh)

James Prescott Joule (1818-1889) est resté célèbre par ses études sur la nature du transfert thermique et de sa relation avec le travail mécanique, ce qui a conduit Rudolf Clausius en 1850, à énoncer le 1^er principe de la thermodynamique : dans toute transformation d’un système fermé il y a conservation de l’énergie.

Il existe de nombreuses formes d’énergie :

Energie mécanique : ce type d’énergie est en fait la somme de l’énergie cinétique d’un objet et de l’énergie potentielle (ou gravitationnelle) contenue dans cet objet.

L’énergie cinétique est l’énergie possédée par un corps en mouvement de translation ou de rotation par rapport à un référentiel fixe, elle dépend de la masse de l’objet et de sa vitesse : la fameuse formule mathématique E = ½ mV² avec E en Joule, m en Kg et V en m/s. L’énergie potentielle est l’énergie emmagasinée qu’un objet possède en raison de sa position ou de sa forme, on en mesurera les effets que si et seulement si elle est transformée en un autre type d’énergie. Exemple : pour soulever une bille depuis le sol il faut exercer un travail équivalent à une énergie qui sera transférée à la bille. Si on lâche la bille (E=mgh avec m=masse de la bille (en kg), h=hauteur (en m) au-dessus du niveau de référence et g=accélération=9,81N/kg), l’énergie potentielle est libérée et est transformée en énergie cinétique, la bille tombe.

Energie thermique : l’énergie thermique est la forme d’énergie liée à la température d’un système. Elle repose sur l’agitation et le mouvement des molécules composant la matière. La température est directement proportionnelle à la valeur moyenne de l’énergie cinétique des particules du système : plus elles sont en mouvement et plus la température du système est élevée. L’énergie thermique représente quant à elle la somme de l’énergie cinétique de ces particules.

Il existe trois types de transfert thermique : le rayonnement thermique ou émission électromagnétique par un corps chaud dans le domaine de l’infrarouge (le soleil chauffe le carrelage d’une terrasse), la conduction thermique spécifique aux solides (pour sortir un plat chaud d’un four il convient de s’isoler les mains pour ne pas se brûler) et la convection thermique spécifique aux fluides (pour refroidir une tasse de chocolat chaud, il faut souffler sur le liquide).

Energie lumineuse : l’énergie lumineuse est l’énergie contenue dans les ondes électromagnétiques émises par le soleil. Le soleil est une énorme boule de gaz chauds composés principalement d’hydrogène et d’hélium. Son cœur possède une température de l’ordre de 15 millions de degrés alors que sa surface est ‘froide’ 6000 degrés environ, il s’en suit un transfert thermique du cœur vers la périphérie, arrivée à la surface ce flux d’énergie thermique s’échappe dans le vide interplanétaire sous forme de rayonnement électromagnétique : le soleil brille ! Mais pourquoi brille-t-il encore après 4,6 milliards d’années d’existence ? La chaudière soleil est entretenue grâce à des réactions de fusion nucléaire qui transforment l’hydrogène en hélium : chaque seconde le soleil perd 620 millions de tonnes d’hydrogène pour former 615,7 millions de tonnes d’hélium : la différence de masse est convertie en énergie rayonnée vers l’extérieur (pas de panique : la réserve d’hydrogène est encore importante et on estime que le soleil brillera encore 5 milliards d’années).

Au début du XIX^e siècle, les premières expériences d’éclairage artificiel ont lieu au moyen de lampe à incandescence. C’est en 1879 que Swan et Edison présentent la première ampoule à incandescence fonctionnelle : filament de carbone sous vide dans une ampoule en verre. Par la suite de nombreux progrès ont vu le jour : filament en tungstène, atmosphère d’argon puis de krypton puis d’iode à la place du vide. Les alternatives aux lampes à incandescence ont ensuite été commercialisées : tube fluorescent, diodes électroluminescentes, …

Energie chimique : l’énergie chimique est l’énergie potentielle stockée dans les liaisons entre atomes pour former une molécule. Lorsque des liaisons chimiques se forment il y a absorption d’énergie, lorsqu’elles se rompent il y a émission d’énergie. Exemple : combustion du méthane

CH₄ + 2 O₂ --------- CO₂ + 2 H₂O production de 891 kJ/mole

Ce type d’énergie est présente lors de la combustion de combustibles, de la digestion des aliments, de la charge ou la décharge des batteries, de la photosynthèse, …

La vie sur terre est possible grâce à ce type d’énergie. Les êtres vivants tirent leur énergie de l’oxydation des nutriments, mais cette énergie n’est pas directement assimilable par les cellules vivantes, il faut un intermédiaire qui est l’Adénosine triphosphate ou ATP présent dans toutes les cellules. Suite à une série de réactions chimiques, le glucose provenant des aliments est transformé en ATP, ce dernier suite à la rupture des liaisons sucre-phosphate peut produire assez d’énergie (50 kJ par mole) pour alimenter les processus cellulaires. L’ATP privé d’une fonction phosphate n’est pas stable, une réaction chimique particulière va recréer, en un temps très court, l’ATP au sein des cellules.

Energie électrique : L’énergie électrique est l’énergie transférée par l’électricité. Ce n’est pas une véritable énergie mais un vecteur énergétique capable de transférer de l’énergie entre deux systèmes au même titre que la chaleur. L’électricité est en fait le déplacement d’électrons dans un matériau conducteur comme le cuivre par exemple. Les atomes de ce métal possèdent un électron faiblement lié à son noyau, cet électron libre peut se déplacer dans le métal. Ce déplacement est aléatoire et ne sert à rien, en revanche si l’on oblige les électrons libres à se déplacer dans un même sens alors le courant électrique est créé. Comment faire ? en plaçant le fil métallique entre deux éléments chargés, l’un négativement, l’autre positivement, les électrons se déplacent alors vers l’élément positif. Ces éléments chargés peuvent être les électrodes d’une pile, une prise de courant, une cellule solaire …

Le courant électrique se déplace très rapidement dans le fil conducteur (de l’ordre de 200 000 km/s) alors que la vitesse de déplacement des électrons n’est que de quelques mètres par seconde (courant continu) ou quelques dizaines de cm par heure (courant alternatif). Le courant continu possède un avantage de taille vis-à-vis du courant alternatif : il peut être stocké dans des batteries. De plus, c’est le courant idéal pour alimenter les appareils électroniques portables car il permet aux circuits intégrés d’être plus petits et plus compacts. Concernant le transport de l’électricité, il est utilisé dans les lignes à très haute tension sur de longues distances. En revanche, le courant alternatif est plus facile à distribuer, à transporter dans les lignes à haute et basse tension. Il est le plus adapté aux besoins domestiques : chauffage, éclairage, cuisson et autres appareils fonctionnant à l’électricité. Mais, étant impossible à stoker il doit être utilisé en temps réel par les utilisateurs.

Energie nucléaire : l’énergie nucléaire est une énergie issue des noyaux des atomes. Un atome est constitué d’électrons gravitant autour d’un noyau lui-même constitué de protons et de neutrons. La somme des masses des protons et neutrons est supérieure à la masse de l’atome : qu’en est-il de la masse manquante ? Cette dernière correspond à une énergie calculable grâce à la célèbre équation d’Einstein E = m.c² où m est la masse et c la vitesse de la lumière, c’est le ciment qui lie les protons/neutrons entre eux. Si l’on casse le noyau, cette énergie va être libérée et elle est colossale. Tous les noyaux ne peuvent pas être cassés facilement, actuellement on utilise les isotopes 235 de l’uranium ou 239 du plutonium. L’énergie produite par 1 kg d’uranium naturel est égale à l’énergie produite par la combustion de 10 tonnes de pétrole.

Par exemple une réaction de fission nucléaire de l’uranium fissile s’écrit :

²³⁵U + ¹n   ------------ ⁹²Kr + ¹⁴¹Ba + 3 ¹n + énergie

L’uranium 235 bombardé par 1 neutron conduit à du krypton, du baryum, 3 neutrons et de l’énergie. Ces 3 neutrons peuvent alors réagir avec d’autres noyaux faisant ainsi une réaction en chaîne qui si elle n’est pas maîtrisée devient explosive. L’isotope fissile de l’uranium est très rare sur Terre (0,7% de l’uranium naturel) et il est obtenu en enrichissant l’uranium naturel par ultracentrifugation ou par diffusion gazeuse du fluorure d’uranium afin d’obtenir un combustible contenant entre 3 et 5% d’uranium fissile. C’est ce type de réaction qui est utilisé dans les centrales nucléaires ou dans les réacteurs de navires à propulsion nucléaire.

L’énergie respecte le principe de Lavoisier : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme ». En effet, dans un système isolé l’énergie ne peut ni être créée, ni perdue, elle ne peut qu’être transformée d’un type à un autre ou d’un endroit à un autre. La voiture automobile en est un parfait exemple :

• Le carburant associé à de l’air entre en combustion en produisant des gaz et de la chaleur : transformation d’énergie chimique en énergie thermique. Ces gaz chauds actionnent les pistons du moteur : transformation d’énergie thermique en énergie mécanique, puis par l’intermédiaire de la boite à vitesse déclenche le mouvement de la voiture : transformation d’énergie mécanique en énergie cinétique. Toutes les pièces mécaniques en mouvement créent de l’énergie thermique. Si le véhicule entame une montée alors il créera de l’énergie potentielle récupérable lors d'une descente.
• Le frottement de l’air sur la carrosserie et des pneumatiques sur la route transforme de l’énergie cinétique en énergie thermique.
• Une partie de l’énergie mécanique issue du moteur est transformée en :
  1. Energie électrique via un alternateur. L’électricité produite va permettre de :
     1. produire des étincelles (énergie thermique) dans les bougies (pour un moteur à essence) faisant enflammer le combustible dans les cylindres,
     2. de recharger la batterie (création d’énergie chimique),
     3. d’allumer les phares et/ou clignotants : création d’énergie lumineuse
  2. Energie thermique via un climatiseur
• Le freinage va transformer de l’énergie cinétique en énergie thermique.

Quelques références :

https://www.cea.fr/comprendre/Pages/energies/complements-energie/transformations-energie-produites-dans-voiture.aspx

https://www.choisir.com/energie/articles/158904/quelles-sont-les-differentes-formes-denergie

https://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/energie

https://www.cea.fr/comprendre/MPages/energie/essentiel-sur-energies.aspx

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