ÉNERGIE ET TEMPÉRATURE 💥🌡

« L’énergie est notre avenir, économisons-la », ok mais l’énergie c’est quoi ? Une grandeur physique qui caractérise le changement d’état d’un système ? Et puis la température, un truc élevé quand il fait chaud et bas quand il fait froid ?

Pour comprendre le monde de l’énergie et avant de parler de climat, comme je souhaite le faire dans prochain article, il est nécessaire de s’intéresser aux notions souvent un peu floues d’énergie et de température. Ces notions permettent pourtant de définir des réalités physiques claires, et sur lesquelles on peut s’appuyer avec confiance pour caractériser le monde qui nous entoure et faire des prévisions.

PARTIE 1 : LES DIFFÉRENTES FORMES D’ÉNERGIE

1.      🚴L'ÉNERGIE CINÉTIQUE

C’est la forme d’énergie la plus simple à concevoir et à définir, et à partir de laquelle on peut partir pour définir toutes les autres. Pour un objet particulier, elle est définie comme la moitié de sa masse multipliée par le carré de sa vitesse. Ainsi l’énergie cinétique d’un objet double quand sa masse double, et elle est multipliée par 4 quand sa vitesse double !

On peut s’en faire une idée par une expérience sensible assez simple : l’impact d’une balle sur notre corps. Il est moins douloureux d’être percuté par une bille en verre que par une bille de plomb lancée à la même vitesse, tout comme il est bien moins douloureux de recevoir ces billes à faible vitesse qu’à haute vitesse.

2.      🥵🌡 L’ÉNERGIE THERMIQUE ET LA TEMPÉRATURE

Les solides, les liquides et les gaz sont constitués de très nombreuses particules plus ou moins liées entre elles et qui gigotent dans tous les sens. L’énergie thermique d’un corps, ce n’est rien de plus que la somme des énergies cinétiques de toutes les particules qui composent ce corps.

Et la température ? C’est une mesure de l’énergie cinétique moyenne des particules de ce corps, elle est donc à peu près égale à l’énergie thermique divisée par le nombre de particules dans le corps.

Ainsi, plus les particules qui composent un objet sont lourdes et gigotent, plus l’énergie thermique et la température de ce corps sont élevées. Quand il fait chaud, c’est que les particules de l’air sont très agitées et nous cognent assez fort.

3.      ☄️⚡️ LES ÉNERGIES POTENTIELLES

Les particules, suivant leur nature, peuvent interagir entre elles par le biais de 4 interactions fondamentales : la gravitation, l’électromagnétisme, l’interaction faible et l’interaction forte. Ces interactions, qu’on peut associer à des forces, permettent d’expliquer la structure de toute la matière qui nous entoure et comment elle se comporte dans diverses conditions.

Il se trouve que ces interactions peuvent faire acquérir de la masse ou de la vitesse aux particules, et donc de l’énergie cinétique. Ainsi est associée à chaque interaction et pour chaque particule une énergie dite « potentielle ». Celle-ci est « contenue » dans chaque particule du fait de son interaction avec son environnement, et peut être comprise comme une énergie susceptible de se transformer en énergie cinétique.

Par exemple, plus un objet est haut et plus il possède d’énergie potentielle gravitationnelle (aussi appelée énergie potentielle de pesanteur). Celle-ci se transformera en énergie cinétique quand il sera lâché, elle sera d’autant plus haute en arrivant au sol (vitesse élevée) que l’objet sera lâché haut.

Quand on regarde des systèmes plus complexes que des particules prises isolément, le nombre élevé de particules et d’interactions entre chacune d’elles fait que ça devient compliqué de tout analyser, ou du moins d’utiliser les interactions fondamentales à chaque fois. Heureusement, la moyenne de tout ça aboutit à des interactions souvent plus simples à des échelles plus grandes, un peu de la même manière que l’énergie thermique dérive de l’énergie cinétique pour de nombreuses particules. On parlera alors d’énergie nucléaire, chimique, élastique, de pression…

PARTIE 2 : LES TRANSFERTS THERMIQUES

Maintenant que les notions d’énergie et de température sont posées, on peut se demander de quelle manière la température d’un corps augmente ou diminue. Concrètement, quels sont les phénomènes qui assurent les transferts thermiques entre les corps, ou ce qu’on appelle plus communément la chaleur ?

Il existe trois modes de transmission différents :

1.      🍳 LA CONDUCTION, transfert thermique par contact (ex : votre main sur une plaque de cuisson).

Comme expliqué précédemment, l’énergie thermique et la température sont directement reliées à l’agitation des particules qui constituent la matière. Lorsque deux corps (solides, liquides ou gazeux) sont mis en contact, les particules agitées du corps le plus chaud entrent en collision avec les particules moins agitées du corps le plus froid et leur transmettent une partie de leur agitation, un peu comme des boules de billard qui se percutent. Les particules du corps chaud ralentissent tandis que celles du corps froid accélèrent : le corps chaud se refroidit et le corps froid se réchauffe, ils tendent vers une même agitation interne. Ce phénomène se produit également au sein d’un même corps.

2.      🔄 LA CONVECTION, transfert thermique par transport de matière (ex : l’eau dans une casserole sur une plaque de cuisson).

Ce mode de transfert thermique se fait par mélange des particules constitutives d’un corps. Il ne concerne que les fluides (gaz et liquides) car les particules d’un solide, même si elles gigotent sur place, sont coincées à une même position.

Dans un fluide, lorsque des particules sont localement plus agitées que dans le reste du fluide, elles tendent à prendre plus de place que les particules moins agitées. L’image d’une foule permet de bien se représenter la chose : on peut faire tenir plus de gens dans une pièce s’ils se tiennent immobiles que s’ils font un pogo. Ainsi la masse totale des particules agitées dans un certain volume sera plus faible que celle des autres particules dans un même volume, car moins nombreuses. Du fait de la gravité, les particules les moins agitées vont donc avoir tendance à descendre et les particules agitées à monter : le fluide se mélange et sa température s’homogénéise progressivement. Si on n’a pas la gravité, un ventilateur ou une touillette fonctionnent aussi pour mélanger les fluides.

3.      ☀ 〰 LE RAYONNEMENT, transfert thermique à distance (ex : les rayons du soleil sur votre peau).

Lorsqu’on plonge dans la matière jusqu’aux particules dont je parle depuis le début, on trouve des molécules constituées d’atomes, eux même constitués de noyaux chargés positivement et d’électrons chargés négativement. Ces particules chargées interagissent entre elles par le biais d’ondes électromagnétiques pouvant se propager dans le vide. Lumière visible, infra-rouges, ultra-violets, micro-ondes, ondes radio, rayons X, rayons gamma : toutes ces choses sont un seul et même phénomène, et seule leur longueur d’onde (la distance entre deux vaguelettes) les différencie.

Une des manières qu’ont ces particules chargées d’émettre un rayonnement électromagnétique est de s’agiter, ainsi la matière émet un rayonnement du simple fait de son agitation interne et donc de sa température. Cependant, les particules chargées perdent de leur énergie cinétique en émettant ce rayonnement : la température de la matière qu’elles constituent diminue. Mais l’énergie n’est pas perdue, elle se retrouve contenue dans les ondes émises sous forme d’énergie « radiative » ou « électromagnétique ». Ces ondes pourront alors être absorbées par d’autres particules chargées auxquelles elles transmettront leur énergie radiative, énergie qui sera en partie transformée en énergie cinétique et donc en augmentation de température.

PARTIE 3 : D’OÙ VIENT L’ÉNERGIE THERMIQUE ?

Mais quelle est l’origine de cette énergie thermique ? Peut-on la créer ? En fait, l’énergie thermique trouve toujours son origine d’une autre forme d’énergie. En voici quelques exemples :

1.     ⚒ ORIGINES « MÉCANIQUES »

🤜🤛 La collision : lorsque deux objets comme des billes s’entrechoquent, celles-ci rebondissent l’une sur l’autre. Elles repartent souvent moins vite qu’elles ne sont arrivées car une partie de leurs vitesses globales respectives se sont transformées en déformation et en vibration interne. En d’autres termes, une partie de l’énergie cinétique des objets est transformée en énergie cinétique des particules qui les constituent. Le mouvement global est transformé en mouvement interne, en agitation : ça chauffe.

🎈 La compression : lorsque vous comprimez un corps, un gaz avec un piston par exemple, vous donnez une certaine vitesse au piston qui vient percuter les particules qui gigotent dans le gaz. Vous créez des collisions entre le piston et les particules et donnez à ces dernières une énergie cinétique supplémentaire : le gaz chauffe.

🙏 Les frottements : lorsque vous frottez deux objets l’un contre l’autre, leur rugosité fait que vous forcez leurs particules constitutives à s’éloigner de leur position d’équilibre en surface. Elles reviennent ensuite vers leur position d’équilibre, comme des ressorts qu’on aurait tendus et qui s’agitent quand on les relâche. Qui s’agitent ? Oui, ça chauffe.

🔌 L’effet Joule : Lorsque des électrons circulent dans la matière, il y a un courant électrique. Plus cette matière est « rugueuse » pour les électrons, c’est-à-dire plus sa résistance électrique est élevée, plus les électrons se cognent et transmettent une partie de leur énergie cinétique aux atomes qui les entourent. Les atomes se mettent à s’agiter de plus en plus fort, une fois encore ça chauffe et on appelle ça l’effet Joule.

2.     🧪🕯 ORIGINES CHIMIQUES

La chimie, c’est un peu comme un jeu de legos mais avec des atomes (des noyaux chargés positivement entourés d’électrons). On peut faire des assemblages entre les différents atomes, mais certains assemblages ne sont pas possibles : ça ne tient pas.

Dans ce jeu particulier, les legos gigotent tout seul, s’assemblent et se désassemblent en permanence, en fonction de ce qui est physiquement possible et de leur niveau d’agitation. Quand ça gigote beaucoup, certains assemblages ne tiennent plus et se cassent ; d’autres, au contraire, se forment à partir des petites briques car elles ont suffisamment d’énergie pour s’emboiter. Ces assemblages et désassemblages, ce sont des réactions chimiques.

Dans certaines réactions, l’agitation requise pour briser l’assemblage initial est plus faible que l’agitation libérée par la création de l’assemblage final. C’est un peu comme si vous deviez donner suffisamment de vitesse à une bille pour franchir une bosse, et que derrière cette bosse se trouve un trou encore plus profond que la bosse, de sorte que la bille va encore plus vite en arrivant au fond du trou qu’avant de gravir la bosse. Ainsi, ce type de réaction s’autoentretient une fois qu’elle est amorcée et elle fournit même de la chaleur au milieu extérieur : on dit qu’elle est exothermique. Le feu est une manifestation d’une réaction exothermique, certaines explosions aussi (ça s’emballe un peu plus)

3.     ⚛ ORIGINES NUCLÉAIRES

La physique nucléaire c’est un peu comme de la chimie, sauf que les réactions ne se font plus entre les atomes mais entre les noyaux des atomes, et même entre les protons et les neutrons qui les constituent. Dans certaines conditions les noyaux fusionnent, comme dans les étoiles ; dans d’autres ils fissionnent et se divisent en noyaux plus petits, comme dans les centrales nucléaires par exemple.

De la même manière que les réactions chimiques exothermiques, une partie de ces réactions nucléaires entrainent une augmentation de l’énergie thermique du milieu.

PARTIE 4 : 1er et 2e PRINCIPES DE LA THERMODYNAMIQUE

Implicitement, j’ai utilisé dans toutes mes explications ce qu’on appelle le 1er et le 2e principe de la thermodynamique, essentiels dans la compréhension des phénomènes physiques.

🔄 Premier principe : l’énergie totale est invariante dans un système isolé.

Traduction : l’énergie n’est jamais créée ni détruite, elle ne fait que changer de forme et être échangée entre différents systèmes. Et ça reste vrai même quand on ne regarde pas de phénomènes thermiques : c’est la conservation de l’énergie.

↗ Second principe : l’entropie d’un système isolé ne peut qu’augmenter.

Traduction : Les phénomènes thermiques sont irréversibles et les transferts thermiques se font spontanément des sources chaudes vers les sources froides. Vous ne verrez jamais votre main froide se refroidir au contact d’une plaque de cuisson brûlante, et la plaque de cuisson se réchauffer parce que vous la touchez avec votre main froide. Cela implique également que la qualité de l’énergie tend à se dégrader lors de ses transformations, passant progressivement d’une forme noble à une forme plus désordonnée (énergie thermique).

Aller, arrêtons-nous ici pour l’énergie ! C’est déjà assez long et bien suffisant pour pouvoir aborder le système climatique dans un prochain article.