Énergie, pollution de l’air et développement durable

Claude Ronneau

Éditeur : Presses universitaires de Louvain

Année d'édition : 2004

Date de mise en ligne : 21 février 2013

Collection : Lectures universitaires

ISBN électronique : 9782875581716

http://books.openedition.org

Référence électronique :

RONNEAU, Claude. Énergie, pollution de l’air et développement durable. Nouvelle édition [en ligne]. Louvain-la-Neuve : Presses universitaires de Louvain, 2004 (généré le 09 novembre 2013). Disponible sur Internet : <http://books.openedition.org/pucl/607>. ISBN : 9782875581716.

Édition imprimée :

ISBN : 9782930344676

Nombre de pages : 304

© Presses universitaires de Louvain, 2004

Conditions d’utilisation :
http://www.openedition.org/6540

Il n’y a plus grand-monde pour mettre encore en doute le bouleversement profond qui est en train de modifier l’équilibre climatique de notre planète. Force est cependant de constater que cette prise de conscience, indispensable, ne suscite que fort peu d’initiatives pour renverser le cours d’une évolution inquiétante. Peut-être cette insouciance est-elle, au moins en partie, attribuable au fait que nos contemporains accordent encore aux savants, aux chercheurs, aux ingénieurs, le pouvoir de découvrir des ressources minérales, énergétiques, alimentaires, qui soient inédites, propres, inépuisables. Ce livre tente de démontrer qu’il ne faut pas trop se leurrer à ce sujet. La notion même de développement, actuellement basée sur une énergie pratiquement gratuite, risque bien de se révéler d’ores et déjà dépassée par les faits. Une telle démonstration exige que soient clairement exposés, sur une base scientifique, les tenants et aboutissants des problèmes posés, en particulier, par une soif démesurée d’énergie qu’exacerbe une démographie apparemment incontrôlable. 

Claude Ronneau

Claude Ronneau est professeur à l’Université catholique de Louvain. Il y est responsable du Laboratoire de chimie nucléaire et, depuis 1969, il est chargé d’un cours sur la pollution de l’air. Ses activités de recherche l’ont amené, entre autres, à étudier, sur le terrain et en laboratoire, la contamination résultant de l’accident de Tchernobyl.

Sommaire

Préface

Introduction

1. L’atmosphère terrestre

2. La pollution de l’air

3. Le tableau est alarmant

Chapitre 1. Qu’est-ce que l’énergie ?

Chapitre 2. Une brève histoire de l’énergie

LES RESSOURCES ENERGETIQUES DE LA PLANETE

LE DEVELOPPEMENT DES RESSOURCES ALIMENTAIRES

Chapitre 3. Combustion et combustibles

COMBUSTION ET POLLUTION

LES COMBUSTIBLES SYNTHETIQUES

Chapitre 4. La voiture automobile

1. Quelques chiffres relatifs à la voiture automobile

2. Le moteur à allumage commandé (moteur à bougies)

3. Le moteur diesel

4. Les moteurs thermiques de demain

5. La voiture électrique

6. La pile à hydrogène

7. Le véhicule à hydrogène

8. Conclusions

9. Ouvrages consultés

Chapitre 5. Quelques conséquences de la pollution de l’air

1. Introduction

2. La maladie des forêts

3. L’ozone stratosphérique

4. Le smog photochimique

5. L’effet de serre

6. Conclusions

7. La prise de conscience internationale

8. Ouvrages consultés

Chapitre 6. L’énergie nucléaire

LA RADIOACTIVITE ET SES EFFETS

LA PRODUCTION D’ENERGIE NUCLEAIRE

Chapitre 7. Les énergies renouvelables

1. L’énergie du rayonnement solaire

2. L’énergie solaire photovoltaïque

3. L’énergie hydraulique

4. L’énergie éolienne

5. Les alternatives s’imposent-elles sans contestation ?

6. Pour conclure

7. Références

Chapitre 8. Perspectives et conclusions

CONSTATS

Préface

1Ce livre remet à jour et complète l’ouvrage, publié en 1993, qui était déjà consacré aux problèmes d’environnement résultant de la pollution de l’air. Une remise à jour s’imposait car, en dix ans, les choses ont bien évolué. En particulier, le grand public a maintenant acquis une conscience aiguë des problèmes de l’environnement. Il n’y a plus grand monde pour mettre encore en doute le bouleversement profond qui est en train de modifier l’équilibre climatique de notre planète. Force est cependant de constater que cette prise de conscience, indispensable, reste fort passive et ne suscite que bien peu d’initiatives pour renverser le cours d’une évolution qui est en train de prendre le rythme et l’ampleur d’un cataclysme. Peut-être cette insouciance est-elle, au moins en partie, attribuable au fait que nos contemporains accordent encore aux savants, aux chercheurs, aux ingénieurs, le pouvoir de découvrir des ressources minérales, énergétiques, alimentaires, qui soient inédites, propres, inépuisables. Cet ouvrage veut démontrer qu’il ne faut pas trop se leurrer à ce sujet, d’autant plus que notre monde semble imprégné d’une soif inextinguible d’énergie qu’exacerbe une démographie apparemment incontrôlable.

2Une telle démonstration exige que soient clairement exposés, sur une base scientifique, les tenants et aboutissants des problèmes posés.

Introduction

1L’existence, sur la planète Terre, de formes de vie évoluée, dont l’être humain, résulte de la conjonction de bon nombre de facteurs exceptionnels faute desquels nous ne serions pas ici pour en parler :

la présence du soleil, une modeste étoile comme il s’en trouve des milliards dans la voie lactée. Le soleil, par sa lumière, irradie la terre sous une puissance colossale de 178 1015 W, soit la puissance thermique de près de 60 millions de centrales nucléaires,

l’orbite de notre planète qui, voguant à quelque 150 millions de km du soleil, se trouve là à une distance idéale pour que sa surface soit portée à une température optimale sous laquelle l’eau se trouve majoritairement à l’état liquide mais aussi, pour une faible fraction, dans les états gazeux et solide,

l’inclinaison de l’axe de rotation de la terre (23 degrés) sur le plan de l’écliptique qui fait se succéder les saisons dans les deux hémisphères : cette succession est à l’origine d’une bonne répartition des flux thermiques à la surface de la planète,

l’existence d’une enveloppe gazeuse, l’atmosphère, élaborée au cours des âges par le dégazage de la croûte terrestre, essentiellement par l’apport des volcans dont l’existence résulte de la géotectonique. Cette enveloppe est constituée majoritairement d’un gaz relativement inerte, l’azote (N₂ : 78 % en volume), d’un gaz vital, l’oxygène (O₂ : 21 %, progressivement accumulé par la synthèse chlorophyllienne) et d’un gaz totalement inerte, l’argon (Ar -0,93 %). Cette atmosphère contient aussi quelques gaz à l’état de traces, parmi lesquels le dioxyde de carbone (CO₂ -0,037 %) qui interviennent dans le réglage de la température de la terre :

en effet, ces quelques gaz agissent comme une verrière qui, à l’instar d’une serre, retient une partie du rayonnement infrarouge émis par la terre et nous fait bénéficier d’une température moyenne de 15°C sous laquelle la vie a pu coloniser la quasi totalité du globe terrestre.

Outre son rôle de milieu chimique et de régulateur thermique (vents, effet de serre), l’atmosphère constitue un écran qui met la vie à l’abri des radiations nocives venues du cosmos et du soleil.

La présence d’eau, majoritairement à l’état liquide. L’eau est une substance unique en ce sens que, aux températures rencontrées sur la terre, elle peut exister dans les trois phases : liquide, solide et gazeuse. En outre, sa densité est moindre à l’état solide qu’à l’état liquide ce qui permet à la glace de flotter à la surface des mers et de laisser ainsi la vie subsister dans l’eau des régions polaires. Enfin, l’eau est capable de dissoudre bon nombre de substances, de les véhiculer et de les distribuer au gré de ses courants. Les courants marins assurent également une redistribution vers les pôles de l’énergie thermique déposée majoritairement dans les régions tropicales.

Une fraction importante de l’énergie solaire (30 %), captée par l’atmosphère, porte l’eau à l’état de vapeur : cette vapeur se recondense partiellement sous forme de nuages. Les mouvements des masses d’air chargées de cette humidité assurent le transfert vers les continents de 40.000 milliards de tonnes d’eau douce chaque année, phénomène évidemment capital pour le maintien de la vie sur les continents. Les nuages assurent aussi un rôle d’écran en réfléchissant vers l’espace une fraction importante de l’énergie du soleil et limitant ainsi la surchauffe du globe terrestre.

Le temps qui s’est écoulé depuis la formation de la terre (5 milliards d’années) a permis que s’élaborent les conditions exceptionnelles (richesse biologique, terres fertiles, climat idéal, réserves minérales, …) qui ont fait de notre monde un véritable joyau, probablement unique dans un espace galactique vaste de plusieurs années-lumière.

2Cette planète-joyau, notre civilisation est en train de la ternir parce que le développement technique et démographique qu’elle a engendré en dérègle les délicats équilibres élaborés au cours de centaines de millions d’années d’évolution géophysique et biologique. L’emprise qu’exerce l’être humain sur la biosphère et, singulièrement, sur l’atmosphère est majoritairement liée à la consommation d’énergie. Cette emprise est telle que l’homme en compromet gravement la pérennité. Les peuples anciens étaient convaincus que l’univers obéit à des cycles immuables. Leur seule crainte était que quelque divinité courroucée ne vienne perturber ces éternels renouveaux : on pouvait redouter qu’un caprice de Râ, le Dieu Soleil, ne le dissuadât de revenir sur sa barque chaque matin, on pouvait redouter que le ciel ne nous tombât sur la tête, … Rien de bien réaliste ! En revanche, une démographie galopante et un développement technologique irrésistible né à la fin du 18e siècle se sont débridés durant les cinquante dernières années et suscitent les plus graves préoccupations. Bien sûr, la vie restera possible sur terre, probablement pour les millions d’années à venir, et l’être humain y survivra, aidé par un cerveau aux capacités démesurées. Mais, à l’échelle de temps des civilisations humaines, la planète ne sera plus ce qu’elle a été car, dès à présent, l’expansion technologique et démographique de l’Homo Sapiens a dépassé les capacités d’hébergement de la terre et on peut redouter que ce même Homo, à présent trop peu sage, ébloui par le mirage technologique, refuse de se plier aux règles qui régissent les équilibres subtils dans lesquels notre belle planète bleue a évolué pour devenir ce qu’elle est : un monde unique, le meilleur des mondes, un monde duquel aucune évasion de masse n’est possible, n’en déplaise aux amateurs de science-fiction.

3Si notre ciel est bleu, c’est parce la terre est entourée d’une enveloppe gazeuse extrêmement ténue qui, précisément, diffuse la fraction bleue du rayonnement solaire. Il faut en voir les photos prises depuis l’espace pour apprécier sa fragilité. L’atmosphère est le premier garant de notre existence.

1. L’atmosphère terrestre

4L’enveloppe d’air qui entoure la terre pèse 5,23 1018 kg (cinq millions de milliards de tonnes), ce qui ne représente qu’un dix millième de pour cent de la masse totale du globe terrestre ou encore 240 fois moins que la masse d’eau présente à la surface de la terre. La moitié de la masse de l’air est située dans la couche atmosphérique comprise entre 0 et 5 km d’altitude. La couche appelée « troposphère » qui s’étend depuis le niveau de la mer jusqu’à une altitude de 8 à 15 km, suivant la latitude, englobe de 80 à 90 % de la masse totale d’air : elle est le siège de la majorité des phénomènes atmosphériques qui concernent la vie à la surface de la terre. La troposphère se caractérise par une diminution de sa température avec l’altitude ; elle est aussi le siège de turbulences qui provoquent un brassage vigoureux de l’air avec l’effet bénéfique d’une dispersion rapide et efficace des polluants. Elle est la couche atmosphérique dans laquelle la vie terrestre a pu se développer et dans laquelle se produisent la majorité des échanges d’énergie thermique et d’énergie mécanique : elle assure, entre autres, un rôle capital, celui qui consiste à distribuer l’eau à la surface de la terre. Nous vivons dans cette troposphère : elle est un des garants de l’équilibre des conditions de vie sur terre… mais elle est aussi devenue le dépotoir des tonnages croissants de déchets gazeux et des particules émis par les activités humaines. La masse d’air qui enveloppe la terre est tellement énorme qu’il semble impossible de l’altérer. Et pourtant, pour prendre un exemple parmi d’autres, sachant que, d’une part, l’atmosphère héberge déjà quelque 720 milliards de tonnes de carbone sous forme de CO₂ et que, d’autre part, la technologie actuelle, appuyée en cela par la déforestation, en injecte dans l’air chaque année 7 à 8 milliards de tonnes, on réalise le potentiel de « perturbation » ainsi créé. Le résultat en est que, en 150 ans de développement technologique, la concentration en CO₂ dans l’air est passée de 280 à 370 parts par million en volume (ppmv).

2. La pollution de l’air

5Soulignons dès à présent que la combustion est responsable de l’émission dans l’air de la majeure partie des gaz chimiquement ou physiquement actifs, potentiellement toxiques pour les êtres vivants et/ou actifs dans les équilibres thermiques qui régissent la température de l’atmosphère. Une réactivité physique et chimique élevée des polluants entraîne leur élimination rapide de l’atmosphère, suite aux diverses réactions qui les transforment progressivement en substances moins actives, en molécules condensables, en particules, … qui vont être assez rapidement évacuées de l’atmosphère par dépôt et par lessivage par la pluie. D’autres gaz, en revanche, chimiquement inertes et insolubles dans l’eau ont des temps de séjour élevés dans l’atmosphère et, de ce fait, s’y accumulent au point que leur concentration est en croissance, produisant une déstabilisation de la composition de l’air : c’est le cas du CO₂ qui vient d’être évoqué. La majorité des gaz à effet de serre (GES) sont des gaz inertes.

6A l’échelle mondiale, la pollution naturelle est importante du point de vue des tonnages émis mais elle est le plus souvent très diffuse et, à notre échelle de temps, elle ne semble pas induire de variations significatives dans la composition de l’air. A l’opposé, la pollution artificielle (« anthropique ») est concentrée dans certaines régions du monde, surtout dans certaines zones de l’hémisphère nord : cette pollution anthropique est en train de déstabiliser gravement les équilibres qui garantissaient la pérennité de l’enveloppe gazeuse de la terre. Le tableau ci-dessous reprend la liste des principaux gaz, actifs dans l’atmosphère du point de vue des effets qu’ils sont susceptibles d’induire.

7Pour ce qui concerne les poussières atmosphériques, ce qui les caractérise le mieux est leur comportement dans l’air et, particulièrement pour les particules dites « grosses » (diamètre > 0,5 µm), une élimination relativement rapide de l’atmosphère par sédimentation et par impaction sur les surfaces qu’elles rencontrent au cours de leur transport par le vent (végétaux, constructions, sols, …). Les particules dites « fines », (diamètre compris entre 0,1 et 1 µm)1ont un comportement surtout basé sur la diffusion. Etant donné cette diffusivité, elles « balayent » en quelque sorte l’air et agissent comme noyaux de condensation de diverses molécules telles que les hydrocarbures poly-aromatiques (HPA, dioxines et dérivés, …).

8Les différents chapitres du livre vont développer les principaux thèmes qui sont à prendre en compte pour aborder la problématique de la déstabilisation qui menace l’atmosphère. Le livre ne se veut pas exhaustif, loin de là : seuls vont être présentés les points qui nous paraissent fondamentaux pour comprendre la problématique abordée.

Principaux polluants de l’air, sources et effets

Note : Hydrocarbures naturels émis par les feuilles des arbres.

Il faudra expliquer ce qu’est l’énergie (chap. 1), ce qu’a été son histoire (chap. 2), et les leçons qu’il faut en tirer, de manière à ne pas se faire trop d’illusions sur certaines perspectives de transformation de l’énergie et sur certaines ressources dites « nouvelles » ou, plus exactement, renouvelables.

On décrira les principaux mécanismes de formation des polluants dans les flammes (chap. 3) pour mieux comprendre l’évolution actuelle des techniques de contrôle ou de prévention des émissions. Des progrès très significatifs ont été accomplis durant les dernières décennies.

Le chapitre 4 sera consacré à la pollution provoquée par la voiture automobile qui est devenue la principale source de pollution urbaine, voire continentale. Malgré le battage médiatique qui est mené au sujet de nouveaux prototypes d’automobiles, les solutions sont loin d’être encourageantes : tout a un coût, et aussi les solutions dites « propres ».

Seront aussi abordés les effets de la pollution sur la qualité de l’air (chap. 5). En réalité, c’est l’observation relativement récente de ces effets qui a enfin déclenché la prise de conscience (trop tardive) des problèmes que l’humanité commence à affronter.

L’énergie nucléaire est fort décriée : il est pourtant impensable de s’en priver dans la perspective des graves pénuries qui s’annoncent (chap. 6).

On perlera, bien sûr, des sources d’énergie renouvelables (chap. 7) on constatera qu’il ne faut pas trop se leurrer sur les possibilités qu’elles offrent et encore moins sur leur prétendue « gratuité ». Si elles tardent à s’imposer, c’est que les sources d’énergie fossile demeurent encore plus économiques … mais, malheureusement, dans une perspective à très court terme !

3. Le tableau est alarmant

9Les conclusions du chapitre 8 seront émises sous la seule responsabilité de l’auteur : elles ne seront pas très optimistes, le lecteur doit en être averti. Il n’est pas inutile de secouer les esprits quand on réalise l’insouciance béate qui imprègne encore la majorité de nos contemporains. Malgré de nombreuses réactions officielles de bon augure, le pouvoir politique est trop léthargique. Outre l’accroissement déjà manifeste de la température moyenne de l’atmosphère, l’humanité va devoir faire face, dans quelques décades, à de graves pénuries : pénurie de ressources énergétiques fossiles, de matériaux primaires, pénuries alimentaires, … épuisement des ressources en eau douce, des sols fertiles, des ressources forestières et marines, …

10Le bien-être qui fait notre bonheur de citoyens de pays riches est-il à ce point précieux qu’il en est devenu un acquis inaliénable ? Pourquoi cette réticence des pouvoirs publics à reconnaître ouvertement que les choses tournent mal ? De toute évidence, le bien-vivre dont nous profitons encore actuellement est un luxe considéré à ce point comme inaliénable que nous en restreignons dès à présent l’accès à nos enfants et petits-enfants, sinon aux populations du tiers-monde.

11Le tableau que l’on va brosser dans ce livre est manifestement fort pessimiste mais nous pensons que le principe de précaution exige beaucoup de prudence, en tout cas bien plus que ce qu’exigerait un attentisme frileux alimenté par l’utopique perspective de la découverte de sources d’une énergie à la fois propre, bon marché et inépuisable. Les démonstrations qui en seront proposées exigent que l’on aborde un certains nombre de raisonnements scientifiques faute desquels l’argumentation soutenue dans ce livre resterait bien faible et donc peu convaincante.

Notes

1 µm = millionième de mètre = millième de millimètre.

Chapitre 1. Qu’est-ce que l’énergie ?

1Le monde industrialisé est totalement tributaire de l'énergie sous toutes ses formes. Celle-ci est le moteur de notre dynamisme, le support de notre indolence, la base de la productivité industrielle et agricole et de l’accès aux biens de consommation. Elle est surtout, pour l’homme, le gage de son émancipation : elle lui permet d’échapper à cette condition qui fut la sienne pendant des millénaires, celle de porte-faix, de bête de somme. Elle lui permet, éventuellement, de se consacrer à des tâches plus nobles.

1. Qu’est-ce que l’énergie ?

2Les notions que l’on peut avoir de l’énergie sont parfois bien vagues mais, pour comprendre ses bienfaits et ses limitations ainsi que les problèmes qu’elle suscite, il est nécessaire de raisonner sur des bases suffisamment précises afin d’éviter trop d’illusions sur ce que l’on peut attendre d’alternatives et de perspectives par trop utopiques.

1.1. L’énergie, c’est du mouvement ou la possibilité d’en créer

3Il existe deux formes d’énergie, l’une faite de tensions, c’est l’énergie potentielle, celle que l’on peut stocker. L’autre est faite de mouvement, c’est l’énergie vive, qu’elle soit mécanique, thermique, lumineuse (radiations), acoustique ou encore électrique. Cette énergie de mouvement interagit avec la matière qu’elle rencontre : de ce fait, elle se dissipe progressivement en transférant son impulsion aux électrons, aux atomes, aux molécules de la matière rencontrée.

1.2. L’énergie, c’est aussi la possibilité de façonner la matière

4C’est la possibilité de créer ou de façonner des substances nouvelles, inconnues dans la nature, des substances plus performantes, plus résistantes. Cet aspect de l’énergie doit être retenu ; il permet de comprendre que le gaspillage de biens de consommation, de matériaux, est aussi le gaspillage de l’énergie qu’il a fallu consommer pour les élaborer. Le recyclage est économie de matière mais il est aussi fondamentalement économie d’énergie.

1.3. L’énergie : aspects quantitatifs

5Malgré ses différentes formes et qualités, l’énergie n’est jamais qu’un seul et même phénomène ; il est donc logique que toutes ses formes se désignent par un même vocable. L’unité d’énergie, que ce soit de l’énergie potentielle, mécanique, électrique, chimique ou thermique est le

Joule (symbole J),

6unité adoptée en hommage à James Preston Joule qui démontra et mesura l’équivalence des énergies mécanique et thermique. Rappelons que le joule a remplacé la calorie qui, jusqu’il y a peu, servait à mesurer l’énergie thermique. La correspondance entre les deux unités est donnée ici pour mémoire : 1 calorie = 4,187 joules A notre échelle, le joule est une quantité minime d’énergie : aussi en utilise-t-on couramment les multiples qui sont :

7le kilojoule (kJ) = 1 000 joules

8le mégajoule (MJ) = 1 million de joules

9le gigajoule (GJ) = 1 milliard de joules1

10Malheureusement pour la simplicité des discussions, il existe également d’autres unités, largement utilisées par les techniciens de l’énergie et qui n’ont d’autre avantage que de se révéler très pratiques à l’emploi : par exemple, le kilowatt-heure (kWh) :

1 kWh = 3,6 millions de joules = 3,6 MJ

11C’est une unité pratique parce qu’elle correspond au travail (énergie mécanique) fourni par une machine d’une puissance de 1 000 watts mise à l’œuvre pendant une heure. Les calculs d’énergie fournie par les machines s’en trouvent ainsi simplifiés :

travail mécanique (en kWh) = puissance en kW x durée du travail (en heures).

Les principales unités d’énergie et de puissance

12Pour ce qui concerne les consommations d’énergie thermique, on utilise aussi souvent la notion de tonne d’équivalent pétrole (TEP) :

1 TEP = 41,86 milliards de joules = 41,86 GJ

13C’est la quantité moyenne d’énergie dégagée lors de la combustion d’une tonne de pétrole.

1.4. La mesure de la puissance

14Energie et puissance sont deux notions différentes. L’énergie, qu’elle soit potentielle, mécanique ou thermique, c’est du mouvement ou, à tout le moins, de la tension, du mouvement accumulé, potentiellement prêt à se déclencher. La puissance, par contre, exprime la capacité de produire un certain travail en un laps de temps donné, ce qui est tout à fait différent. L’unité de puissance est le watt (W). Il correspond à la puissance d’une machine ou d’une source de chaleur capable de dégager, de produire une énergie d’un joule par seconde (1 J / s).

15Une voiture automobile dont la puissance est de 40 kW (40.000 watts) est donc capable de produire une énergie mécanique (un travail) de 40.000 joules chaque seconde. L’énergie produite par cette voiture, après que le moteur ait fonctionné au maximum de sa puissance pendant une heure, vaut donc :

40 kW pendant une heure = 40.000 joules par seconde pendant

3.600 secondes. Soit 40.000 J / s x 3.600 s = 144 106 J

16Exprimons cette énergie en kWh :

1 kWh = 1.000 W durant une heure

40 kW pendant une heure = 40 kWh

17calcul un peu plus rapide, on en conviendra, qui justifie l’emploi de cette unité saugrenue mais très répandue et bien pratique qu’est le kWh2.

2. Echelles d’énergie et de puissance

18Les différentes sources d’énergie mécanique disponibles actuellement peuvent se représenter sur une échelle, disposées par ordre croissant de puissance. La disproportion entre les machines les plus puissantes et les machines les plus faibles est telle qu’une échelle arithmétique ne pourrait couvrir la gamme des possibilités offertes. On va donc classer ces machines sur une échelle logarithmique dans laquelle la progression d’un échelon à l’autre signifie la multiplication par un facteur dix de la puissance représentée. Il est déroutant de constater combien est faible notre puissance corporelle : en régime de travail manuel normal, un individu mâle moyen est doté d’une puissance de l’ordre de 60-70 watts, c’est-à-dire qu’il peut, s’il est « en forme », produire un travail qui suffirait à peu près à alimenter une bonne ampoule d’éclairage. Disons qu’un adulte quelque peu entraîné pourrait, pendant une journée de travail de dix heures, fournir une énergie mécanique totale d’environ 0,6 kWh ! Considérant que le kWh électrique coûte environ 0,15 € au consommateur européen, voilà donc, en équivalent monétaire, la valeur dérisoire de l’énergie mécanique que des individus de sexe masculin sont capables de fournir en une longue journée de travail ardu. On comprendra aisément que, à ce tarif-là, il y a intérêt à remplacer l’homme par la machine. Etant donné la consommation des ménages en Europe, on peut estimer que chaque citoyen bénéficie personnellement, sous forme d’énergie électrique uniquement, d’une quantité de travail équivalant à celle que pourraient produire une dizaine d’esclaves. De ce seul point de vue, nous constatons que notre développement actuel a atteint des niveaux incomparablement supérieurs à ceux des époques antérieures. Les grandes civilisations du passé n’ont pu déployer leurs fastes et entretenir, dans un confort relatif, une élite minoritaire que par la mise au travail forcé d’une majorité d’humains asservis. Durant son « siècle d’or », la démocratique Athènes avait à son service deux fois plus d’esclaves que de citoyens ! Plus tard, dans l’Europe du Moyen Age, l’esclavage est devenu servage : l’aristocratie ne pouvait décidément se passer de l’énergie mécanique humaine, base de la croissance économique qui se profila dès le 10e siècle3. Le servage n’a disparu de la Russie qu’en 1851, à une époque où l’esclavage des enfants était une institution bien établie dans la plupart des cités industrielles d’Europe. Faut-il aussi rappeler que 9 à 10 millions d’esclaves africains ont été déplacés vers le Nouveau Monde en un peu plus de deux siècles, pour développer la culture du coton et de la canne à sucre ?

Puissance de quelques machines

19On comprend ainsi combien la machine, on y revient, a permis à l’homme de se libérer de l’asservissement du travail manuel. Le bœuf et, surtout, le cheval avaient quelque peu allégé son labeur, mais avec des restrictions sérieuses : les animaux de trait, comme l’homme, assurent leurs huit heures de travail et puis se reposent et, pendant qu’ils se reposent, ils mangent, ils consomment de l’énergie (solaire, bien sûr, puisque végétale). Même quand ils sont inactifs, comme au milieu de l’hiver, ils continuent à manger, sans produire d’énergie mécanique utile. Il se fait que les cultures nécessaires à l’alimentation des chevaux dans les fermes d’avant la mécanisation, occupaient un quart de la superficie cultivable dans l’exploitation (cas de la Hesbaye, en Belgique). On comprendra que, ne fût-ce que de ce point de vue-là, il soit plus facile de produire des excédents agricoles aujourd’hui qu’il y a cent ans ! Le tracteur, les moissonneuses et toutes les autres machines agricoles ont fait énormément pour nous aider à manger plus abondant et moins cher. Elles ont fait beaucoup aussi pour libérer d’un travail harassant une main d’œuvre qui a pu se consacrer à des tâches plus « nobles ». Pour prendre l’exemple d’une région fertile, avant 1940, de grosses exploitations agricoles du Brabant belge (200 à 300 hectares) occupaient, durant les récoltes, une bonne centaine de personnes (en majorité des saisonniers) et quelques dizaines de bêtes de trait. Aujourd’hui, ces mêmes exploitations « tournent » avec quelques ouvriers moyennant, cela va se soi, l’importation de quelques milliers de litres de fuel léger (essence Diesel) chaque année.

20Des constatations toutes pareilles restent évidemment valables pour les autres tâches manuelles dans lesquelles l’homme n’intervenait que comme mécanique. La machine fournit ses kWh à 0,15 € (au pire) ; si l’on veut se débarrasser de la machine pour revenir au travail humain, alors l’alternative est simple : ou bien on paie le travailleur manuel 0,15 € par kWh produit, c’est-à-dire par journée de travail (somme d’ailleurs bien insuffisante pour assurer ne fût-ce que sa nourriture), ou bien l’énergie sera payée au prix fort, et le kWh reviendra au prix d’une journée de travail. On peut affirmer que c’est là une solution actuellement impensable et les machines pourvoyeuses d’énergie mécanique ont encore beaucoup de beaux jours devant elles !

21Les machines, bien sûr, ne consomment pas de fourrage, de viande ou de féculents, énergies chimiques dérivées du soleil ; elles n’en ont pas moins besoin d’une « alimentation » que nous prélevons aujourd’hui dans les réserves de combustibles fossiles accumulées en gisements durant des millions d’années. Ce sont des réserves que l’on consomme actuellement à un rythme effréné et nous voyons poindre le moment où cette abondance factice se verra un jour réduite à la portion congrue. A ce moment-là, évidemment, il faudra sans doute se résoudre à revoir à la hausse le coût des mécaniques humaine et animale !

3. L’énergie : aspects qualitatifs

22J.P. Joule a démontré l’homogénéité des formes d’énergie mais cette découverte, par ailleurs révolutionnaire, négligeait l’appréciation de qualité que l’on doit attribuer à l’énergie : 1 000 joules d’énergie cinétique, c’est exactement la même quantité d’énergie que 1 000 joules de chaleur, mais l’une diffère de l’autre sur le plan qualitatif. Ignorer cet aspect peut être source de confusions, voire d’erreurs. Considérons d’abord l’énergie de mouvement ou énergie vive, concept sans doute plus directement compréhensible parce que plus aisément perçu par nos sens. Elle prend trois formes principales pour ce qui concerne nos besoins : mécanique, électrique et thermique.

3.1. L’énergie mécanique

23L’énergie mécanique apparaît lorsque de la matière se meut. Proposons ici un schéma simple, mais qui se révèlera utile lorsqu’il conviendra d’introduire la distinction entre énergie mécanique et chaleur. Le rectangle schématisé ci-dessous représente un objet en mouvement vers la droite, mouvement symbolisé par une flèche solidaire de l’objet, orientée vers la droite. En réalité, si l’objet est en mouvement, s’il possède une certaine forme d’énergie qu’on appelle énergie cinétique, c’est parce que les atomes qui le composent sont tous animés d’un mouvement d’ensemble (vers la droite). Pour souligner combien ce mouvement cohérent est nécessairement bien ordonné, représentons-le en affectant d’une flèche orientée vers la droite, les atomes qui composent l’objet :

24Les atomes sont représentés (d’une manière fort simpliste et en tout petit nombre) par des boules blanches, chacune solidaire de la flèche qui symbolise son mouvement.

3.2. L’énergie électrique

25Il serait abusif de dissocier les notions d’énergie mécanique et électrique car, en fait, le courant électrique se traduit par un mouvement cohérent d’électrons dans un milieu conducteur (généralement un métal) : il suffit, pour le schématiser, de convertir les atomes du schéma ci-dessus en électrons se faufilant entre les atomes du métal, eux-mêmes au repos. L’électricité peut ainsi s’assimiler à de l’énergie mécanique. Et cette forme d’énergie est très précieuse par sa facilité de distribution qu’un câble de cuivre assume aisément, par sa versatilité, sa disponibilité et surtout, actuellement, par son immense potentiel de support et de traitement de l’information. Cette énergie électrique est tellement extraordinaire qu’il paraît abusif de la dégrader à l’état d’énergie thermique dans des appareils de chauffage. Les appareils de chauffage électrique (à résistance ohmique) ne font rien d’autre, en effet, que de transformer une forme d’énergie noble (l’électricité) en une forme dégradée, de piètre valeur (la chaleur). Pour mieux comprendre cette dégradation, prenons un exemple simple et revenons à l’objet en mouvement que nous avons abandonné un instant.

3.3. L’énergie thermique

26Imaginons donc que l’objet décrit ci-dessus, initialement en mouvement, heurte un obstacle et se trouve ainsi arrêté net. S’il est suffisamment résistant et rigide, il n’en subit aucun dommage. Mais le résultat de cet arrêt brusque est que l’énergie de déplacement de l’objet se transforme en chaleur : sa température s’élève très légèrement. En fait, cette chaleur n’est rien d’autre que la transformation intégrale du mouvement ordonné des atomes de l’objet (énergie cinétique : Ek) en un mouvement désordonné (énergie thermique : Eth) après le choc. La loi de conservation de l’énergie impose, sans restriction aucune, que :

Ek = Eth (1re loi de la thermodynamique)

27Dès lors, la seule différence qui caractérise l’objet entre l’état de mouvement et l’état d’arrêt forcé par le freinage, c’est que le mouvement des atomes est passé de l’ordre (mouvement cohérent) au désordre (mouvement désordonné) ... mais il s’agit là d’une différence importante.

Objet échauffé par le choc qui l’a arrêté : les atomes s’agitent en tous sens ; l’objet se dilate très légèrement

28Cette observation constitue un point fondamental dans la compréhension des diverses formes d’énergie. Ce qui distingue l’énergie mécanique de l’énergie thermique, c’est leur qualité. L’énergie mécanique est de haute qualité parce qu’elle est une forme cohérente d’énergie vive, un mouvement homogène d’atomes, d’électrons, tandis que l’énergie thermique en est une forme dégradée parce qu’elle correspond au désordre dans le mouvement (agitations en tout sens à l’échelle atomique). Remarquons au passage que, si l’objet s’est dilaté à l’échauffement, c’est parce que le mouvement désordonné des atomes requiert plus d’espace. Le même raisonnement prévaut quand on considère la transformation, dans une résistance chauffante, de l’énergie électrique (mouvement ordonné d’électrons dans un câble) en chaleur ambiante (mouvement désordonné des atomes du métal transmis ensuite à l’air ambiant).

29Revenons encore aux deux premiers schémas pour rappeler que la quantité d’énergie contenue dans l’objet n’a pas changé avant ou après le choc (ou le freinage) ; ce qui a changé, encore une fois, c’est la qualité de l’énergie qu’il contient : cette qualité s’est manifestement dégradée en passant de l’ordre au désordre. En réalité, le passage d’une forme d’énergie à l’autre :

Cinétique → Thermique

30n’a pu s’effectuer spontanément que dans la mesure où il y eu a perte de qualité (dégradation) dans le sens :

Ordre → Désordre

31L’objet en mouvement a pu s’arrêter spontanément en heurtant un obstacle et transformer son énergie cinétique en chaleur, mais l’inverse est irréalisable : il est impossible que, en chauffant l’objet, on le remette spontanément en mouvement. En d’autre mots, il est impossible que, par une synchronisation infiniment peu probable, les myriades d’atomes chauds de l’objet se mettent, à un moment précis, à se diriger par hasard tous ensemble dans une même direction pour retrouver ainsi la cohérence du mouvement d’ensemble initial. Avec la même évidence, il est impossible de déclencher l’apparition d’un courant électrique dans une résistance ohmique en la chauffant. La spontanéité de certaines évolutions se manifeste à travers d’autres exemples tels qu’un château de cartes qui s’écroule sous l’effet d’une chiquenaude : il évolue ainsi de l’ordre vers le désordre. Il est impensable que la transformation inverse puisse se dérouler spontanément, que, en secouant des cartes mises en tas (désordre), un château (ordre) apparaisse comme par miracle.

32La transformation ou, mieux, la dégradation du mouvement en chaleur se déroule tout à fait spontanément : l’ordre du mouvement d’ensemble devient désordre. Il est évident que la transformation inverse ne peut pas se dérouler. Ainsi donc, si toute évolution spontanée va dans le sens :

Ordre → Désordre

33dans le cas de l’énergie, la spontanéité des transformations s’observera-t-elle dans le sens :

Energie mécanique → Energie thermique

34L’énergie mécanique est inéluctablement destinée à se dégrader en chaleur. La transformation inverse est bien entendu possible mais elle n’est pas spontanée : elle nécessite l’intervention d’une machine thermique, par exemple, une machine à vapeur, un moteur à essence :

Energie thermique → Machine → Energie mécanique

35Nous le verrons par la suite, on ne parvient jamais à transformer la totalité de l’énergie thermique en énergie mécanique ; une partie se perd nécessairement dans l’opération que l’on devine complexe puisqu’elle nécessite de remettre de l’ordre dans le mouvement des atomes ou des molécules. On doit donc ici faire intervenir la notion de rendement de la transformation et, de ce point de vue, il est un principe qu’il faut absolument garder à l’esprit, c’est que aucune transformation non spontanée n’est gratuite, ni en énergie, ni en termes d’argent.

4. La dégradation de la chaleur

36L’énergie thermique elle-même est sujette à dégradation. En fait, l’énergie thermique, bien que désordonnée, possède quand même un reliquat de « qualité » : il s’agit de sa température. On peut se représenter un corps chaud comme étant composé d’atomes en état d’agitation plus ou moins intense : plus forte est l’agitation et plus chaud est le corps c’est-à-dire plus élevée est sa température (et plus l’objet est dilaté parce que ce mouvement désordonné, plus intense, des atomes requiert plus d’espace).

Objet à basse température

Objet identique à haute température

37Une température élevée est de meilleure qualité qu’une basse température. On sait qu’on peut effectuer plus d’opérations utiles avec une source de chaleur à haute température : on peut, par exemple, faire cuire des aliments sur une plaque de fer très chaude, ce qui serait impossible sur une...