L’énergie est au cœur des préoccupations actuelles car elle joue un rôle dominant dans nos vies de tous les jours, mais aussi car elle conditionne l’évolution de notre civilisation technique et industrielle, voire de la planète Terre.
C’est un concept complexe malgré son apparente simplicité ; il a fallu des siècles pour que les scientifiques l’appréhendent dans sa totalité et déterminent les lois physiques qui la gouvernent. En particulier, comme l’énergie a un caractère multiforme, la notion de bilan est centrale -mais complexe- pour aborder nos problèmes actuels.
Le cours se propose d’exposer les grandes lignes de notre savoir actuel sur l’énergie, sans développements mathématiques complexes, avec une mise en perspective historique. On étudiera les différentes technologies en cours ou à créer pour disposer de sources d’énergie pérennes Le cours permettra aussi de comprendre le rôle de l’énergie dans les théories modernes de l’infiniment petit et de l’infiniment grand.
Les documents, supports du cours, sont accessibles via les boutons :
- Bleu pour ceux en format .pdf ; accessibles sur tous les systèmes, mais sans animations
- Vert pour ceux en format .ppsm ; diaporama Powerpoint
- Enfin, les boutons rouges donnent accès aux vidéos sur YouTube ou aux podcats sur Spotify
Ch 0 – Mise en perspective
Ce chapitre d’introduction présente les objectifs du cours et sa structure. Il précise les unités de mesure de l’énergie qui seront utiles dans le reste du cours.
Une vidéo « Perspective » a été rajoutée, pour présentation du cours sur des plateformes de ressources partagées
Ch 1 – Origines microscopiques de l’énergie à notre échelle
Les différentes formes d’énergie que nous percevons à notre échelle prennent leurs sources dans l’infiniment petit. Elles sont liées aux 4 forces fondamentales structurées depuis le Big Bang : respectivement les forces gravitationnelles, nucléaires (2) et électromagnétique. Le chapitre passent en revue leurs propriétés et leurs effets. A notre échelle, l’énergie électromagnétique est la plus présente, sous la forme d’ondes (radio, lumière,…) et de courants électriques ; elle est à la base de l’énergie chimique.
Enfin, on étudiera l’énergie calorifique qui n’est que la manifestation à notre échelle, de l’agitation désordonnée des atomes et molécules.
Ch 2 – Les formes de l’énergie à notre échelle et leurs transformations
A notre échelle, on peut distinguer 6 formes d’énergie
Les 6 formes d’énergie : nucléaire, radiative, chimique, électrique, mécanique et thermique.
Elles peuvent se transformer les unes dans les autres
On étudiera les principales transformations : notamment la transformation mutuelle entre énergie thermique et énergie mécanique qui est à la base de notre civilisation industrielle ; la photosynthèse est une transformation de l’énergie radiative vers l’énergie chimique à la base de la vie,… etc.
Ces transformations sont plus ou moins efficaces, ce qui sous-tend des principes ou lois qui seront étudiés dans le chapitre suivant.
Ch 3 – Caractériser les énergies
Pour aborder la problématique de l’énergie dans nos sociétés, il est nécessaire d’analyser ses propriétés selon ses différentes formes et selon ses transformations. Tout d’abord, on distinguera les énergies de flux et de stock, puis la cascade énergie primaire –> secondaire, –>finale –> utile.
Le concept de Taux de Retour Energétique (ERoI) sera introduit pour caractériser la pérennité des ressources en stock. Les énergies en flux seront analysées dans le chapitre 4.
Enfin, le concept d’entropie sera développé en détail : d’abord du point de vue (macroscopique) de la thermodynamique, puis de celui (microscopique) de la physique statistique, qui permettra d’établir l’universalité du concept et de ses implications à toutes les échelles
Les chapitres suivants sont en cours de construction
Ch 4 – La planète Terre et l’Univers
L’objectif de ce chapitre est de considérer l’interaction de la planète Terre avec son étoile le Soleil. Dans un premier temps, on étudiera comment le concept d’entropie s’applique à l’Univers et détermine son futur.
Le Soleil alimente la Terre avec un flux d’énergie qui durera (en se modifiant) encore quelques milliards d’années ; on étudiera les flux d’énergie et d’entropie entre le Soleil, la Terre et le reste de l’Univers ; avec une attention particulière au rôle de l’atmosphère terrestre dans la production d’énergie libre, nécessaire à la biosphère en général et à l’humanité en particulier.
Ch 5 – L’énergie et l’avenir de l’humanité
La quantité d’énergie utilisée par l’Homo Sapiens pour ses activités (et donc pour agir sur son environnement) a crû durant son histoire : d’abord de manière lente avec l’utilisation de l’outil, puis des machines extrayant l’énergie « renouvelable » de son environnement (voile, moulin à eau ou à vent…). A partir du du XVIIIème siècle, l’introduction des machines thermiques utilisant les énergies fossiles a provoqué une croissance exponentielle de l’énergie utilisée par l’Homme pour sa survie et surtout pour la fabrication des multiples artefacts de la société industrielle.
Cette croissance multipliée par une croissance équivalente de la population mondiale conduit à une impact de l’humanité sur son environnement qui la menace directement.
Maîtriser la croissance de ses besoins énergétiques, mais surtout les « défossiliser » sont les enjeux majeurs pour le futur de l’Humanité.
Mais les capacités remarquables de l’Homo sapiens qui ont conduit à sa domination de la planète Terre, ne sont-elles pas aussi celles qui peuvent le conduire à son autodestruction ?
Bibliographie
RÉFÉRENCES GÉNÉRALES
- Futura Sciences : Un site généraliste proche de la vie quotidienne
- Découvrir & Comprendre ; l’espace de culture scientifique du CEA
- Pour avoir accès aux articles scientifiques récents et originaux (souvent en anglais)
- Le site de vulgarisation scientifique d’Etienne Klein et tous ses livres
- « L’univers décrypté par les énigmes » de C.Vafa (EDP Sciences), un remarquable et agréable voyage à travers les grands problèmes de physique,
ENERGIE ET ENTROPIE
- « Le Monde sans fin« , dossier de Jancovici & Blain (Dargaud), plus qu’une BD une mine d’information.
- « Sans transition – Une nouvelle histoire de l’énergie » de JB Fressoz (Seuil). Une histoire très documentée et originale avec l’expression d’un point de vue personnel discuté.
- « Transition énergétique – Les défis de la défossilisation« , numéro spécial de « Reflets de la Physique », revue de la Société Française de Physique ; écrit par des physiciens un document de référence ; sur abonnement ou téléchargeable en pdf.
- « L’entropie » , dossier de la revue La Recherche, N°544, février 2019
- Une vidéo d’Etienne Klein « L’énergie : à la fois une grandeur physique et un défi pour notre siècle »
- Le bilan énergétique de la France : un ensemble complet de données
- « Le grand tout, sur l’origine de la vie, son sens et l’univers lui-même » (Quanto) de S.Carroll.
- « Thermodynamique de l’évolution « , F. Roddier, (Parole) : un point de vue original et stimulant, à discuter
- « L’univers et la flèche du temps » (Quanto) de S. Carroll, où l’entropie et la relativité générale jouent un grand rôle.