Date de publication : 8 mars 2024
Contributeurs : Tom Krantz, Alexandra Jonker
L’énergie thermique fait référence à l’énergie au sein d’un système créée par le mouvement aléatoire des molécules et des atomes. Plus le mouvement augmente, plus la production d’énergie est grande. Cette énergie est transférée sous forme de chaleur.
Le flux d’énergie thermique d’un système à l’autre est à la base d’une branche de la physique connue sous le nom de thermodynamique. Les scientifiques ont fait des pas de géant dans les sciences physiques grâce à des découvertes dans le domaine de la thermodynamique. Aujourd’hui, ces découvertes contribuent à alimenter une nouvelle ère d’alternatives énergétiques.
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L’origine du terme « énergie thermique » remonte à l’Antiquité (vers 500 avant JC). Cependant, sa découverte est souvent attribuée à James Prescott Joule, un physicien, mathématicien et brasseur anglais du XIXe siècle.
Joule a expérimenté la conversion de l’énergie mécanique et a remarqué que plus il manipulait la vitesse d’une substance, plus celle-ci devenait chaude. En observant les changements de température sous l’effet de la friction et des réactions chimiques, Joule a découvert que l’énergie peut se manifester sous différentes formes, comme la chaleur, et qu’il existe une corrélation directe entre la chaleur et le travail mécanique (énergie transférée vers ou depuis un objet en appliquant une force).
Les découvertes de Joule ont été accueillies avec scepticisme tout au long de sa carrière. Et pourtant, nous mesurons désormais la quantité de travail produite par un système en joules, une unité d’énergie au sein du système international d’unités (unité SI). Ses conclusions ont ouvert la voie au principe de conservation de l’énergie, selon lequel l’énergie totale d’un système isolé reste constante. Cette découverte a conduit à la création du premier principe de la thermodynamique.
Parmi les quatre sciences physiques, la thermodynamique est une branche de physique qui se concentre sur la chaleur, le travail et la température et explore leur relation avec l’énergie, l’entropie et les propriétés physiques comme la matière et le rayonnement. Les comportements observés entre ces éléments sont régis par quatre principes :
Initialement, le principe zéro n’était pas considéré comme un principe distinct de la thermodynamique puisqu’il est impliqué dans les trois autres. Il se concentre sur l’équilibre thermique, c’est-à-dire lorsque deux objets à proximité atteignent la même température et n’échangent plus d’énergie thermique (pensez à l’eau chaude et à une tasse froide atteignant toutes deux la température ambiante). Ce principe stipule que si deux systèmes sont en équilibre thermique avec un troisième, ils sont également en équilibre thermique l’un avec l’autre. À bien des égards, le principe zéro fonctionne comme une propriété transitive.
Représenté sous forme de formule, le premier principe de la thermodynamique est une expression du principe de conservation de l’énergie, selon lequel l’énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais seulement transformée d’une forme d’énergie à une autre. Par conséquent, la chaleur à l’intérieur d’un système sera égale à la chaleur provenant d’une source.
Dans sa forme la plus simple, le deuxième principe de la thermodynamique énonce que la chaleur circule spontanément des régions les plus chaudes vers les régions les plus froides. Cependant, il interdit l’inverse : la chaleur ne circulera pas spontanément des régions froides vers les régions chaudes. Cette distinction est essentielle, car elle établit le concept d’entropie (le degré de désordre ou d’incertitude dans un système) en tant que propriété physique. L’entropie augmentera jusqu’à atteindre son apogée à l’équilibre thermique.
Bien que considéré comme impossible, le troisième principe de la thermodynamique stipule que lorsque la température d’un système approche du zéro absolu, l’entropie du système se rapproche d’une valeur minimale. Le concept de zéro absolu, où toute activité au sein d’un système s’arrête, est considéré comme irréalisable, car les molécules ne peuvent jamais devenir entièrement immobiles. Cependant, selon la théorie, le point zéro, ou la température la plus basse possible, se situe à -273,15 degrés Celsius (ou -459,67 degrés Fahrenheit) sur l’échelle de Kelvin.
L’énergie peut être classée en énergie cinétique ou potentielle. L’énergie cinétique est mesurée par le mouvement d’un objet et tient compte de la masse et de la vitesse. L’énergie potentielle est la capacité d’un objet à se déplacer en fonction de plusieurs facteurs tels que sa position (l’objet est-il suspendu dans les airs ou au sol ?), ses propriétés (de quoi est fait l’objet ?) et sa relation avec d’autres objets (un autre objet pourrait-il le faire bouger ?).
Prenons l’exemple d’une balle suspendue à une ficelle. Lorsque la balle est suspendue, elle stocke de l’énergie potentielle. Elle n’est pas en mouvement, mais elle pourrait l’être puisque la gravité agit sur elle comme une force potentielle. Si l’on venait à couper la ficelle et que la balle tombait, elle produirait de l’énergie cinétique, car elle serait alors un objet en mouvement. Voici quelques exemples d’énergie potentielle et cinétique :
Énergie stockée dans les liaisons des atomes et des molécules.
Énergie stockée dans un atome qui maintient le noyau.
Énergie stockée dans un objet en fonction de sa position dans un champ gravitationnel.
Énergie fournie par des particules chargées appelées électrons.
Énergie fournie par le rayonnement électromagnétique.
Énergie fournie par la chaleur, ou le mouvement des atomes.
L’énergie thermique est l’énergie cinétique totale d’un système, observée sous forme d’énergie cinétique de vibration, de rotation ou de translation. Cependant, il existe également une énergie « cachée » (ou plutôt, microscopique) sous la forme d’une énergie interne qui prend en compte toutes les particules d’un système et tient compte à la fois de l’énergie cinétique et de l’énergie potentielle.
L’énergie thermique peut être transférée par trois méthodes : la conduction, la convection et le rayonnement. Pour mieux comprendre le fonctionnement de chacun, prenons l’exemple d’une casserole d’eau bouillante sur la cuisinière.
- La conduction est le flux d’énergie à travers les matériaux solides. À mesure que la flamme chauffe la casserole, l’énergie circule dans tout l’objet et augmente sa température de surface.
- La convection est le flux d’énergie à travers le mouvement d’un fluide. À mesure que la casserole chauffe, l’eau s’adapte à la différence de température. L’eau chaude monte vers le haut lorsque l’eau froide est attirée vers le bas, créant un courant circulaire connu sous le nom de mouvement de masse des fluides.
- Le rayonnement est le flux d’énergie à travers les ondes. L’énergie cinétique de la flamme circule à travers des ondes électromagnétiques et est convertie en chaleur une fois qu’elle entre en contact avec un objet, dans ce cas, la casserole.
Dans cet exemple, la chaleur distribuée passe par trois états différents : solide, liquide et gazeux. L’énergie thermique peut altérer les objets dans chaque état et peut même initier un changement de phase en fonction de la quantité de chaleur appliquée. Cela dépend de la chaleur latente et sensible.
La chaleur latente fait référence à la quantité de chaleur ou d’énergie nécessaire pour déclencher un changement de phase (transformer l’eau bouillante en vapeur). La chaleur sensible désigne l’énergie nécessaire pour élever la température d’une substance (la flamme rendant la casserole plus chaude). Chaque objet a sa propre capacité thermique, c’est-à-dire la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d’un degré Celsius. L’eau a une capacité thermique massique élevée, ce qui signifie qu’il faut beaucoup d’énergie pour élever sa température, tandis que celle de l’air est faible, car les gaz ont généralement une capacité thermique massique plus faible.
L’énergie thermique est souvent utilisée de manière interchangeable avec la chaleur, bien qu’il existe de légères nuances. L’énergie thermique fait référence au mouvement des molécules et des atomes au sein d’un système. La chaleur, quant à elle, est le transfert ou le flux d’énergie thermique d’un système à un autre. L’énergie thermique et la chaleur sont toutes deux mesurées en joules.
La température fait référence à l’énergie cinétique moyenne générée dans un système et est mesurée en Celsius, Fahrenheit, Kelvin ou Rankine. Il est important de noter que la température enregistre la « chaleur » ou le « froid » d’un objet à un moment donné, mais pas son énergie. Par exemple, la température ne peut pas vous indiquer la quantité de chaleur qui quitte un système.
Une autre façon de penser à la relation entre les trois est que l’énergie thermique est la quantité totale d’énergie dans un système, la chaleur est le flux d’énergie circulant depuis ce système vers un autre, et la température est l’énergie cinétique moyenne des molécules.
Alors que les inquiétudes suscitées par le changement climatique sont en hausse, les entreprises sont de plus en plus incitées à atteindre le zéro émission nette pour leurs opérations. L’énergie thermique offre aux entreprises la possibilité d’adopter des sources d’énergie renouvelable et de délaisser les combustibles fossiles.
L’énergie solaire est produite en collectant et en concentrant les rayons du soleil. À l’aide de réflecteurs et de récepteurs, l’énergie du soleil est amplifiée et dirigée vers un tube contenant un fluide caloporteur. Ce processus active une turbine hydraulique qui produit de l’électricité.
L’énergie géothermique se trouve dans la croûte terrestre, ce qui en fait une ressource abondante. Elle est obtenue en forant profondément dans des réservoirs où de l’eau chaude peut couler. L’eau est captée et utilisée pour actionner des turbines qui produisent de l’électricité.
La conversion de l’énergie thermique des mers (OTEC) utilise les différences de température maritime (plus chaud à la surface, plus froid en profondeur) pour produire un travail utile, généralement sous forme d’électricité. L’OTEC est une alternative viable compte tenu de l’abondance de l’eau de mer et de son facteur de capacité élevé.
L’exploitation de l’énergie thermique comme source d’énergie renouvelable peut être un moyen efficace pour les entreprises de diversifier leur stratégie de gestion de l’énergie. En outre, cela peut les aider à atténuer tout dommage supplémentaire causé à la planète en réduisant leur consommation et en améliorant les économies d’énergie.
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L’énergie renouvelable est l’énergie produite à partir de sources naturelles qui se renouvellent plus vite qu’elles ne sont utilisées.
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La gestion de l’énergie consiste à surveiller, contrôler et optimiser de manière proactive et systématique la consommation d’énergie d’une organisation, afin d’économiser l’énergie et de réduire les coûts énergétiques.