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Dans le langage courant, le mot énergie désigne tout aussi bien la force que la puissance, la vigueur que I'élan, le dynamisme que la volonté. Comme il fleure bon le grec ancien (Energeia), on imagine volontiers qu'il a toujours fait partie du vocabulaire scientifique.

Or, ce n'est pas te cas...

 

Le mot énergie n'a été introduit dans le vocabulaire scientifique qu'il y a tout juste trois siècles par Jean Bernoulli. Dans une lettre à Pierre Varignon datée du 26 janvier 1717, il définit l'énergie comme le «produit de la force par le déplacement». Mais cette première conception scientifique de l'énergie, cantonnée au seul travail mécanique, était d'application trop limitée pour prétendre coloniser toute la physique.

De fait, l'énergie n'a pu devenir un concept central de la physique qu'un siècle et demi plus tard, à partir du moment où il fut établi qu'elle obéit à une implacable loi de conservation. Lorsque deux systèmes interagissent, ils échangent de l'énergie: au cours de l'interaction, la somme des variations d'énergie dans le premier système se trouve toujours être l'opposée de la somme des variations d'énergie dans le second, de sorte que l'énergie globale est conservée.

Par exemple, un ballon qui chute dans l'atmosphère transforme son énergie de pesanteur en chaleur, transmise à l'air via les forces de frottement: il y a conversion intégrale de l'énergie potentielle de la force de gravitation du ballon en énergie cinétique des molécules de l'air.

C'est Max Planck (le futur père fondateur de la physique quantique) qui fut le premier à comprendre que cette loi donnait à l'énergie sa définition essentielle. Dans un ouvrage publié en 1887 et intitulé "Das Prinzip der Erhaltung der Energie" (Le Principe de conservation de l'énergie), il écrivit: « Je ne traiterai du concept d'énergie que dans la mesure où il peut être rattaché au principe qui donne son titre à cet essai, supposant donc que le concept d'énergie en physique tient avant tout sa signification du principe de conservation qui le concerne».

En son amont, cette découverte avait exigé un très long travail de clarification conceptuelle de la part d'un grand nombre de savants, preuve que la notion d'énergie, lorsqu'on l'émancipe de ses manifestations empiriques, n'est pas aussi intuitive qu'on pourrait le croire. Du reste, nos façons ordinaires de parler de l'énergie ne rendent guère justice aux trouvailles des physiciens. Par exemple, dès lors que l'énergie d'un système isolé demeure constante, il devient abusif de parler de «production d'énergie», car cette expression laisse entendre que l'énergie pourrait émerger du néant, surgir de rien.

En réalité, Il ne s'agit jamais que d'un changement de la forme que prend une énergie déjà présente, ou d'un transfert d'énergie d'un système à un autre, jamais d'une création ex nihilo.

Pour mieux comprendre, il faut faire appel à un autre concept, celui d'entropie. Cette grandeur caractérise la capacité d'un système physique à subir des transformations spontanées: plus grande est la valeur de l'entropie, plus faible est la capacité du système à se transformer. En évoluant, un système augmente son entropie, c'est-à-dire affaiblit sa tendance à évoluer: plus il a changé, moins il a tendance à continuer à changer, jusqu'à ce que, son entropie étant devenue maximale, il demeure dans un état d'équilibre. C'est là tout le sens du second principe de la thermodynamique.

L'entropie mesure ainsi la « qualité» de l'énergie disponible au sein d'un système. Une énergie de bonne qualité est une énergie ordonnée, c'est-à-dire d'entropie faible, qu'il sera facile de récupérer au prix d'une augmentation de son entropie. C'est par exemple celle de la chute d'eau qui, grâce à son mouvement d'ensemble descendant, est aisément transférable en énergie mécanique par l'entremise d'une turbine.

De la même façon, nous ne devrions guère parler de « consommation d'énergie», car consommer un kilo-joule d'énergie n'est nullement le faire disparaître: c'est prendre un kilojoule d'énergie sous une forme de faible entropie (par exemple de l'électricité) et le convertir en une quantité exactement égale d'énergie sous une autre forme, possédant en général une entropie beaucoup plus élevée (de l'air chaud ou de l'eau chaude par exemple).

En bref, consommer de l'énergie, ce n'est nullement consommer de l'énergie, c'est créer de l'entropie !

Auteur: Etienne Klein (physicien et chef du Laboratoire de Recherche sur les Sciences de la Matière - Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers du CEA).

Extrait du magazine CLEFS #65

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