Soleil, pile et pédalier : d'où vient l'énergie et comment elle se transforme

Ce matin, tu as allumé la lumière, fait chauffer du lait, rechargé ton téléphone et pédalé jusqu'au parc. Quatre gestes, quatre histoires d'énergie. Mais au fait, c'est quoi, l'énergie ? C'est ce qu'il faut pour que quelque chose se passe : éclairer, chauffer, déplacer, faire fonctionner. Elle ne se voit pas, mais on voit ses effets. Et elle a une propriété étonnante : elle ne disparaît jamais, elle change seulement de forme. Ce cours t'apprend à suivre ses transformations comme un détective.

Les sources d'énergie : où va-t-on la chercher ?

Une source d'énergie, c'est ce qui fournit l'énergie au départ. On les classe en deux familles.

Les sources non renouvelables s'épuisent à l'échelle humaine : une fois utilisées, elles mettent des millions d'années à se reformer, ou ne se reforment pas du tout.

• Le pétrole, le gaz naturel et le charbon : ce sont les énergies fossiles, formées à partir d'êtres vivants enfouis il y a des millions d'années. Leur combustion dégage du dioxyde de carbone, qui réchauffe le climat.
• L'uranium, utilisé dans les centrales nucléaires.

Les sources renouvelables se reconstituent au moins aussi vite qu'on les consomme :

• le Soleil (panneaux solaires, chaleur) ;
• le vent (éoliennes) ;
• l'eau en mouvement (barrages hydroélectriques, marées) ;
• la biomasse (bois, déchets végétaux) ;
• la chaleur de la Terre (géothermie).

Attention au piège : « renouvelable » ne veut pas dire « sans aucun impact ». Un barrage noie une vallée, et une éolienne demande du métal et du béton. Mais ces sources ne s'épuisent pas, et elles n'émettent pas de dioxyde de carbone en fonctionnant.

Les formes d'énergie : sous quel costume ?

L'énergie se présente sous plusieurs formes. Celles du programme :

• Énergie cinétique : celle d'un objet en mouvement (une voiture qui roule, le vent, l'eau d'une rivière).
• Énergie thermique : liée à la chaleur (un radiateur, une casserole brûlante).
• Énergie lumineuse (ou rayonnante) : transportée par la lumière (le Soleil, une lampe).
• Énergie électrique : transportée par le courant électrique dans les fils.
• Énergie chimique : stockée dans la matière (une pile, l'essence, les aliments, le bois).
• Énergie de position (ou potentielle de pesanteur) : celle d'un objet en hauteur, prêt à tomber (l'eau d'un barrage en haut de la retenue).

Exemple travaillé : ton petit-déjeuner. Le pain contient de l'énergie chimique. Ton corps la convertit en énergie cinétique quand tu pédales, et en énergie thermique : c'est pour cela que tu as chaud après l'effort. Les aliments sont ton carburant, exactement comme l'essence pour une voiture.

Les conversions : l'énergie change de forme

Un objet technique qui transforme une forme d'énergie en une autre s'appelle un convertisseur. Quelques exemples très courants :

• une lampe : énergie électrique → énergie lumineuse (+ thermique, l'ampoule chauffe) ;
• un radiateur électrique : électrique → thermique ;
• un moteur : électrique → cinétique ;
• une pile : chimique → électrique ;
• un panneau solaire : lumineuse → électrique ;
• une éolienne : cinétique (du vent) → électrique ;
• une dynamo de vélo : cinétique → électrique.

La règle d'or : l'énergie se conserve. Un convertisseur ne crée pas d'énergie et n'en détruit pas. Mais une partie de ce qu'il reçoit part souvent sous une forme non désirée, en général de l'énergie thermique. Une ampoule à filament convertit seulement 5 % de l'électricité en lumière : le reste chauffe la pièce. Une ampoule LED fait beaucoup mieux, c'est pour cela qu'elle consomme moins.

La chaîne énergétique : dessiner le trajet

Pour représenter tout cela, on dessine une chaîne énergétique. Les règles sont simples :

• la source et le milieu qui reçoit l'énergie sont dans des ovales ;
• le convertisseur est dans un rectangle ;
• les flèches représentent les transferts, et on écrit sur chacune la forme d'énergie transportée.

Exemple travaillé 1 : la lampe de poche. (Pile) → énergie électrique → [Lampe] → énergie lumineuse → (Air, nos yeux) et une seconde flèche → énergie thermique → (Air). La pile est la source (elle contient de l'énergie chimique), la lampe est le convertisseur, l'air et nos yeux reçoivent la lumière.

Exemple travaillé 2 : le barrage hydroélectrique. (Eau en hauteur) → énergie de position puis cinétique → [Turbine + alternateur] → énergie électrique → (Réseau électrique, maisons). L'eau tombe, fait tourner la turbine, qui entraîne l'alternateur : c'est lui qui produit l'électricité. Et d'où vient l'eau en hauteur ? De la pluie, elle-même produite par l'évaporation causée par le Soleil. Presque toutes les énergies de la Terre, fossiles comprises, viennent du Soleil.

Exemple travaillé 3 : le vélo. (Aliments) → énergie chimique → [Cycliste] → énergie cinétique → (Vélo) et une flèche → énergie thermique → (Air). Si le vélo a une dynamo, on ajoute un maillon : [Dynamo] → énergie électrique → [Lampe] → énergie lumineuse.

À retenir

• Sources non renouvelables : pétrole, gaz, charbon (fossiles) et uranium ; renouvelables : Soleil, vent, eau, biomasse, géothermie.
• Formes d'énergie : cinétique, thermique, lumineuse, électrique, chimique, de position.
• Un convertisseur transforme une forme d'énergie en une autre ; l'énergie se conserve, mais une partie est souvent perdue sous forme thermique.
• Chaîne énergétique : sources et milieux dans des ovales, convertisseurs dans des rectangles, flèches annotées avec la forme d'énergie.

★ Pour aller plus loin

L'énergie se mesure en joules (J), du nom du physicien anglais James Joule. Soulever une pomme d'un mètre demande environ 1 joule. Ton petit-déjeuner t'en apporte quelques centaines de milliers. Les factures d'électricité, elles, utilisent le kilowattheure : 1 kWh = 3,6 millions de joules, à peu près ce que consomme un four en une demi-heure.

En France, environ les deux tiers de l'électricité viennent du nucléaire, ce qui est unique au monde. L'uranium n'est pas brûlé : ses noyaux d'atomes sont cassés, et cette fission libère une énergie colossale, un million de fois plus que la combustion du charbon à masse égale. Mais les déchets restent dangereux pendant des milliers d'années.

Le Soleil est lui-même une centrale : au lieu de casser des noyaux, il en fusionne (de l'hydrogène en hélium). Des chercheurs essaient de reproduire cette fusion sur Terre, notamment dans le réacteur ITER construit près de Cadarache, en Provence. Si ça marche, ce serait une énergie presque inépuisable.

Sources pour creuser

• Livre : L'énergie à petits pas de François Michel (Actes Sud Junior).
• Livre : Le grand livre des expériences de Nathalie Tordjman (Milan Jeunesse) pour des mini-convertisseurs à fabriquer.
• YouTube : chaîne « C'est pas sorcier », émissions « Les énergies renouvelables », « Le nucléaire » et « Les éoliennes ».
• YouTube : chaîne « Physique-Chimie au collège », recherche « chaîne énergétique 5e ».
• lumni.fr : Collège → Physique-Chimie → cinquième, « Sources et formes d'énergie ».