Comprendre l'énergie/Histoire du concept

1. Histoire du concept

Étymologie

Le mot « énergie » vient du grec ancien érgon (ἔργον) qui signifie « le travail ». Plus précisément, il vient de energós (ἐνεργός), « qui est au travail » (ἐν-, en ; ἔργον, travail ; et -ός qui forme un adjectif).

Le mot énergie renvoie donc au travail, c’est-à-dire une activité qui est utile : fabriquer quelque chose, déplacer quelque chose, transformer quelque chose, rendre un service.

De l’artisanat à l’industrie

Avant la révolution industrielle, qui a commencé au milieu du xviii^e siècle, la fabrication était artisanale. On avait quelques personnes, parfois une seule, parfois avec un apprenti ou un de ses enfants, qui fabriquait un objet : une poterie, un meuble, un vêtement, un outil… Certaines de ses fabrications étaient faites par les utilisateurs et utilisatrices elles-mêmes (autoproduction, do it yourself). Même dans le cas de métiers spécialisés, comme tailleur de pierre, forgeron ou charpentier, c’étaient des artisans itinérants, ou bien des personnes travaillant dans de petits ateliers. On parle là de secteur secondaire (transformation de la matière).

Le secteur primaire, l'extraction de la matière, était aussi de l'artisanat. Les agriculteurs et agricultrices travaillaient dans des fermes familiales, les bûcherons et forestiers étaient en petites équipes, les mines étaient exploitées par peu de gens qui étayaient à la main, creusaient à la pioche et rampaient dans les boyaux avec un sac.

Le secteur tertiaire, le commerce, était aussi pratiqué par de petites structures : quelques personnes sur un chariot, qui parfois s’associaient pour former des caravanes.

Les professionnels se regroupaient parfois en guildes, pour s’entraider, pour défendre leur droits, pour assurer un monopole.

La force humaine a été suppléée depuis le Néolithique (fin de l’âge de pierre, de –10 000 à –2 700 environ). À cette période apparaît l’agriculture (révolution néolithique, vers –11 000) et donc l’utilisation de la force animale : on utilise des bœufs, des chevaux et des ânes pour tracter des charrues, des charges lourdes, voir pour faire tourner des meules. Le muscle animal remplace le muscle humain. Le moulin à eau apparaît à la fin de l’Antiquité, vers –30, et le moulin à vent au Moyen-Âge, au vii^e siècle (vers l’an 600).

Mais bien avant, le feu est domestiqué : au Paléolithique, vers –400 000. Le feu permet de se chauffer, donc de survivre dans un environnement plus froid que celui d’où l’on vient ; de s’éclairer, donc de travailler après la tombée de la nuit ; de se défendre des bêtes sauvages ; et de transformer la matière : cuire les aliments, cuire de la terre pour faire une poterie (vers –29 000), et plus tard brûler une clairière pour la cultiver (Néolithique), transformer une roche en métal (âge de bronze, vers –2 700).

Et puis arrive la machine à vapeur…

La révolution industrielle

Dès l’Antiquité, on a remarqué que la vapeur exerçait une force ; peut-être en remarquant qu'elle soulevait le couvercle des chaudrons. C’est au xvii^e siècle qu’on commence vraiment à l’utiliser, et en particulier pour faire tourner un moulin à la place du vent. Puis, on commence à développer des solutions techniques, la technologie : la soupape, qui s’ouvre dans un sens pour laisser passer la vapeur, mais empêche son retour ; le piston, poussé par la vapeur comme le pied pousse la pédale ou la main pousse le levier ; des systèmes de régulation, pour que la machine ait un mouvement régulier et fournisse suffisamment de force sans en fournir trop.

La machine à vapeur nécessite du feu pour faire chauffer l’eau. Au début, le feu est obtenu en brûlant le bois. Mais le bois est déjà très utilisé, pour la construction, et en particulier la construction navale. On a donc recours à un combustible que l’on trouve sous terre : le charbon. La machine à vapeur permet d’alimenter des pompes qui évacuent l’eau qui s’accumule dans les galeries de mine, les mines fournissent du charbon pour les machines à vapeur.

La machine à vapeur remplace donc la force animale, la force du vent et la force de l’eau ; qui elles-mêmes remplaçaient la force humaine. Et elle permet d’extraire plus de ressources du sous-sol : le charbon en lui-même, mais aussi les minerais servant à fabriquer les métaux.

Or, justement, le charbon permet de transformer plus facilement le minerai de fer. Le haut fourneau, inventé vers l’an 30 en Chine, est redécouvert en Europe entre le xii^e et le xv^e siècle, selon les régions. La quantité de charbon que permet d’extraire la machine à vapeur permet de développer les hauts fourneaux, et donc la production de fonte et d’acier. L’acier permet de fabriquer des machines plus robustes et qui peuvent donc travailler plus vite et avec plus de force. Il permet de fabriquer des rails et donc de développer le train, mû lui aussi par la vapeur ; il permet de construire des ponts et des bâtiments plus légers, des outils plus coupants.

Partout où il y a du mouvement, on peut créer ce mouvement par de la vapeur, et partout où il y a un effort à fournir, on peut faire fournir cet effort par la vapeur : faire tourner un métier à tisser, scier du bois, marteler et couper de l’acier…

Du bois à l’acier : suivre les transformations

La technologie se complexifie. On en vient à se demander : quelle quantité de bois faut-il pour extraire 1 kg de charbon ? Quelle quantité de charbon faut-il pour pomper 1 L d’eau, pour tracter 1 kg de marchandise ? Pour produire 1 kg d’acier ?

La science, qui s’est toujours intéressée aux transformations (depuis l’alchimie), commence donc à s’intéresser aux forces en œuvre lors des transformations.

Il faut donc établir des équivalences entre les moyens de travail :

force humaine ;
force animale ;
force éolienne (vent) ;
force hydraulique (eau) ;
force vapeur ;

et les finalités du travail :

chauffer ;
transporter ;
réduire (transformer un minerai en métal) ;
utiliser un outil : tisser, scier, couper, marteler…

C’est pour cela que l’on invente le concept d’énergie en sciences physiques : pour pouvoir suivre les forces au cours des transformations.

Considérons la chaîne de production suivante :

1. On brûle du bois → 2.L’eau chauffe et se transforme en vapeur → 3. La vapeur pousse un piston → 4. La force du piston est transmise à l’outil → 5. L’outil travaille (par exemple monte une charge).

Chaque étape est un phénomène qui alimente le phénomène suivant ; il fournit « quelque chose » au phénomène suivant. Ce « quelque chose » est différent à chaque étape, mais on invente une « monnaie commune » pour exprimer ces échange de la même manière. Et cette « monnaie commune » est l’énergie.

Cette énergie est notée E, ou bien W (work, travail en anglais). Elle s’exprime dans une unité appelée « le joule » et notée « J ».

En science physique, on cherche donc des formules pour exprimer l’intensité d’un phénomène sous forme d’énergie :

Brûler un kilogramme de bois fournit quelle quantité d’énergie ?
Quelle quantité d’énergie permet de transformer un litre d’eau en vapeur ?
quelle quantité d’énergie permet de monter une charge d’un kilogramme d’une hauteur d’un mètre ?

Introduction < ↑ > Énergie, travail et service rendu