L’ENERGIE : un concept conservatif.
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Le mot ENERGIE est passé abondamment dans le langage courant, assimilé à la puissance, la vigueur, le dynamisme et la volonté. Il occupe surtout les discours politiques et économiques : « productions, crises, fossiles, renouvelables, transitions et économies ». Et on pourrait aussi évoquer les transpositions à l’occidentale de l’énergie vitale du prana…
Il est sans doute utile, dans les débats actuels, de clarifier ce concept d’énergie, notamment à partir de son élaboration historique, longue et difficile, en sciences physico-chimiques. Ce sera ici notre objet.
Par exemple les expressions « production d’énergie » et « consommation d’énergie » sont impropres puisque l’énergie ne peut être ni créée ni détruite. Elle peut seulement transférée d’un système à un autre et à cette occasion transformée. De même l’expression « énergie renouvelable » suppose quelques éclaircissements !
Il faudra lui associer un autre concept fondamental, l’ENTROPIE. Alors qu’il n’est guère plus abstrait que celui d’énergie, ce dernier n’a pas, ou très peu, pénétré le langage courant. Et pourtant il peut donner des clés de compréhensions des problèmes auxquels nos sociétés humaines sont confrontées.
Les travaux proposés sont évidemment très simplificateurs, en regard de la complexité des débats scientifiques concernés !
Tous les documents nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier énergie (1)).
L’histoire montre que l’élaboration scientifique, face à la diversité du réel et de ses transformations, s’articule sur la recherche des permanences, des invariants, des conservations.
On pense à Galilée et son élaboration de la chute des corps comme indépendante de la masse, à l’encontre de l’observation immédiate. Lavoisier, initiateur de la chimie moderne, énonce le fameux « rien ne se perd rien ne se crée ». Einstein, regrettant lui-même la formulation « relativiste » associée aux théories restreinte et générale, s’attache aux invariants : celui de la célérité de la lumière et celui de l’expression des lois de la physique.
Ainsi s’élabore progressivement le concept d’ENERGIE : qu’est ce qui se conserve dans la chute des corps, lors d’un changement d’état, au cours d’une transformation chimique ou nucléaire ?
C’est ce qui va se réaliser avec l’élaboration progressive des notions d’énergies potentielles (associées aux interactions fondamentales) et d’énergie cinétique (associée aux mouvements macroscopiques et microscopiques). Viendra ensuite, avec Einstein, « l’équivalence » masse – énergie du fameux E = mc2.
Mais rien n’est évidemment achevé puisque la mécanique quantique et la relativité générale de la gravitation n’ont pas trouvé leur unification et que, de plus, se profilent les questions non résolues de l’ENERGIE SOMBRE !
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C’est le physicien allemand Max Planck, le futur inventeur du quantum, qui a le premier compris la portée essentielle de cette loi: au-delà de ses diverses manifestations empiriques, l’énergie doit d’abord et surtout être abstraitement considérée comme une grandeur qui se conserve. Dans un ouvrage publié en 1887, intitulé Das Prinzíp der Erhaltung der Energie (Le Principe de conservation de l’énergie), il écrit : « 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 ». L’énergie trouve là sa définition formelle moderne : une quantité qui peut être associée à tout système et qui est fonction des divers paramètres caractérisant l’état de ce système à l’instant considéré. Elle dépend en particulier des positions et des vitesses des parties du système et de leurs interactions mutuelles. Sa propriété la plus fondamentale est de rester constante au cours du temps lorsque le système est isolé. Cette découverte fut le couronnement d’un processus long et laborieux, étalé sur pas moins de 40 ans. Elle n’est guère attribuable à un auteur particulier, mais à plusieurs chercheurs qui travaillaient de façon relativement isolée et avaient des préoccupations fort différentes. Faraday, Carnot, Joule, Mayer, Helmholtz, Thomson ou Rankine, figurent parmi les plus célèbres d`entre eux.
Etienne Klein. La puissance du concept d’énergie. Clés CEA N° 61. 2013.
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En deux siècles, l’énergie a envahi notre vie quotidienne, facilitant les transports, l’industrie, le chauffage ou les multiples usages domestiques de l’électricité. Les problèmes économiques, sanitaires, géopolitiques, technologiques qu’elle pose font la une des journaux. Pourtant, le discours sur l’énergie gagnerait en pertinence s’il s’appuyait mieux sur les données scientifiques qui sous-tendent sa « production » et son emploi, et qui sont trop fréquemment ignorées par les médias ou par les politiciens. Le physicien s’irrite souvent devant des affirmations simplistes en contradiction avec des ordres de grandeur qui devraient être connus de tous. Il est vrai que le concept d’énergie est l’un des plus abstraits et des plus multiformes de la science et qu’il ne date que d’un siècle et demi ; ceci explique sans doute pourquoi l’enseignement n’est pas encore parvenu à rendre familières des notions de physique fondamentale qui sont essentielles à la formation du citoyen, dans un monde où l’énergie est omniprésente.
Roger Balian. L’élaboration du concept d’énergie. Académie des Sciences – Service de Physique Théorique, CEA de Saclay.
http://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/ressource/Elaboration-concept-energie-Balian.xml
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Partie 1 : les « forces vives ».
L’atelier proposé consiste à exploiter les travaux de s’Gravesande :
Document principal (où sont indiqués et le déroulement les consignes de travail) : [sgravesande.pdf]
Document d’accompagnement : [balian.pdf]
Egalement disponible : vidéo adaptée du film «Einstein’s Big Idea» [emilie.mp4]
Le texte complet de s’Gravesande : [Elemens de physiquee.pdf]. (Chapitre III, pages 142 à 155 du fichier pdf).
On pourra également exploiter un autre atelier de ce même site : Emilie et les forces vives. Emilie et les « forces vives »
On y trouvera en particulier un travail à partir de la controverse entre Emilie de Châtelet et Dortous de Mairan, toujours sur la même problématique sur les chocs élastiques. On montre en fait qu’ils ont tous les deux raison mais ne parle pas de la même chose : il y a bien conservation de la quantité de mouvement (mV) mais aussi de la « force vive » (mV2) !
A la fin du XVIIe siècle, la représentation des mouvements se construit et se mathématise. Leibniz élabore les procédures du calcul différentiel. Varignon formalise les définitions de la vitesse instantanée et de l’accélération.
Un débat s’est prolongé sur plusieurs décennies à la recherche de ce qui se conserve au cours de l’interaction (un choc élastique par exemple) entre deux objets : « quantité de mouvement » mV (les cartésiens et newtoniens), ou « force vive » mV2 (Leibniz, s’Gravesande, Bernoulli…) ?
Dans son ouvrage, Elemens de physique ou introduction à la philosophie de Newton, s’Gravesande relate ses expériences multiples. Il montre une grande attention à leur validité, leur fiabilité, leur reproductibilité (intéressant à discuter dans le cadre de l’atelier). Il expérimente en particulier sur l’impact, sur des blocs de terre glaise, d’objets en chute libre. Ses résultats semblent montrer que la « force » (donc, en terme moderne, ce qu’on appelle l’énergie cinétique) est proportionnelle au carré de la vitesse de l’objet à l’issue de sa chute. Les idées de Leibniz (mV2) semblent donc confirmées. Evidemment le texte de s’Gravesande est assez difficile à déchiffrer (sans parler de la typographie, mais cela a aussi son charme historique !) : une aide peut être nécessaire dans le déroulement de l’atelier.
Emilie du Chatelet, amie de Voltaire, interviendra dans ce débat, prenant parti pour Leibniz, contre les cartésiens et newtoniens (voir l’atelier Emilie et les forces vives évoqué plus haut).
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Partie 2 : qu’est ce qui se conserve ?
Document : [chute.pdf]. Les consignes de travail individuel sont indiquées.
A l’issue de ce travail individuel : mise en commun en grand groupe avec animation tableau et discussion.
Le travail proposé suppose la connaissance de la seconde loi de Newton et son exploitation pour le traitement du mouvement de chute libre.
On aboutit à la conservation de la somme de termes [gh + ½ V2], ce qui, moyennant la multiplication par m, conduit à énergie cinétique et énergie potentielle de pesanteur, dont la somme (l’énergie mécanique) se conserve.
Mais évidemment la discussion se poursuit avec le rôle de frottement : cette énergie mécanique n’est plus conservée et la quête du « conservatif » est remise en chantier !
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Partie 3 : mais où est donc passée l’énergie ? L’expérience de Joule.
Document principal : [analyse.pdf]. Les consignes de travail individuel sont indiquées.
Document à analyser : [joule.pdf].
On pourra également exploiter l’animation : http://subaru.univ-lemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/physique/02/thermo/joule.html
Document complet de Joule : [texte joule.pdf].
Problème de vocabulaire : Joule utilise le terme « heat » donc chaleur. Dans le vocabulaire actuel il faudra utiliser le terme énergie thermique, sachant que le terme chaleur désigne un transfert d’énergie thermique. Mais une nouvelle question surgit : qu’est-ce que l’énergie thermique ?
A suivre donc, avec l’atelier Energie (2).
Tous les documents nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier énergie (1)).
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