Ressources scientifiques
pour l’enseignement de la physique

Un partenariat entre

ENS Lyon Eduscol
Outils personnels
Navigation

Aller au contenu. | Aller à la navigation

Vous êtes ici : Accueil

Mémento sur l'énergie (partie 1) : Les unités d'énergie et de puissance

Marie-Christine Artru

ENS Lyon

Delphine Chareyron

02/12/2013

Résumé

Cet article fait le point sur les définitions et unités associées à l'énergie, dans le domaine de la physique et de la technologie, ainsi qu'en économie, compte tenu du débat actuel sur notre avenir énergétique.


1. Énergie

L' énergie est associée à une grandeur physique dont l'unité légale est le joule.

Le joule (symbole J) est défini à partir des unités fondamentales du système international MKSA, selon l‘équation aux dimensions E = ML2T-2 qui lie l’unité d’énergie E à celles de masse M (le kilogramme, kg), de longueur L (le mètre, m) et de temps T (la seconde, s). Le nom fait référence aux travaux du physicien anglais James Joule (1818-1889).

  Figure 1 : James Prescott Joule, source : CNRS.  

Avec une énergie E = 1 J on soulève une masse m = 1 kg d’une hauteur h = 10 cm environ (selon E = mgh, avec g = 9,8 ms-2). C’est une unité très petite par rapport aux énergies mises en jeu à l’échelle humaine, mais très grande au niveau microscopique de l’atome.

2. Puissance

La puissance est un débit d’énergie. On peut mesurer une puissance instantanée, par exemple la puissance maximale atteinte par une machine, ou bien considérer la puissance moyenne sur une durée donnée.

L’unité légale de puissance est le watt (1 W = 1 Js-1). Le nom évoque le physicien écossais James Watt, (1736-1819).

  Figure 2 : James Watt, source : Sketches about Scotland.  

Le tableau suivant donne des ordres de grandeur de la puissance électrique moyenne consommée ou produite à différentes échelles.

  Consommation  

  affichage LCD  

  four, radiateur électrique  

  moteur de voiture  

10 mW

1 à 3 kW

50 à 100 kW

Production

pile plate de 4,5 V

centrale électrique

10 W

  200 à 1 000 MW  

3. Unités

La tonne d’équivalent pétrole

La tep ou tonne d’équivalent pétrole est l’unité utilisée dans le contexte économique (toe en anglais pour « ton of oil equivalent »). Par définition 1 tep = 4,1868.1010 J.

L’unité « tep » correspond à l’énergie de produite par combustion d’une tonne de pétrole brut. Un baril de pétrole (159 litres) fournit environ 0,14 tep. La relation entre la quantité de combustible et l’énergie produite dépend de la qualité du carburant. La combustion d’une tonne de bois de chauffage fournit une quantité d’énergie comprise entre 0,3 et 0,5 tep.

Signalons que la « tonne d’équivalent pétrole » est parfois utilisée abusivement avec une conversion différente selon le rendement de la production de l’énergie considérée. Par exemple, une « tonne d’équivalent pétrole » d’énergie électronucléaire correspondrait à seulement 33 % de l’unité standard « tep », si on tient compte du rendement de la centrale qui la produit. (référence : Concepts - Énergie et entropie,R. Balian, 2012)

Le kilo-watt-heure

Le kWh (kilo-watt-heure) est une unité commerciale d’énergie électrique. C’est l’énergie produite (ou consommée) en une heure par un générateur (ou un récepteur) de puissance moyenne égale à 1 kW.

Le kWh est l’unité employée par les entreprises industrielles et les compagnies françaises EDF, RTE et ERDF (Electricité de France, Réseau de Transport d’Electricité, et Electricité Réseau Distribution France). Les compteurs électriques et les factures de consommation utilisent le kWh. Notons que le coût des abonnements domestiques est fonction de la puissance électrique instantanée maximale disponible pour l’usager (typiquement 6, 9 ou 12 kW).

Soulignons le fait qu’une énergie par jour ou par an mesure en réalité une puissance moyennée sur le jour ou l’année.

Le tableau suivant résume quelques conversions d’unité à faire pour analyser et comparer les données statistiques :

  1 tep  

  = 11 630 kWh  

  = 4,1868.1010 J  

  1 Mtep  

  = 11,6301 TWh  

  = 4,1868.1016 J  

Ainsi pour un an soit 8 766h :

  1 kWh/an  

  1 tep/an  

  = 0,114 W  

  = 1,33 kW  

Les tableaux ci-dessous comparent les masses nécessaires à la production d'1 kWh selon la source d'énergie primaire utilisée :

  Figure 3 : masses nécessaires à la production d'1 kWh selon la source d'énergie primaire, source : Concepts - Énergie et entropie, R. Balian, 2012.  

La calorie

La calorie est l’unité d’énergie utilisée pour mesurer les échanges de chaleur. Une calorie (1 cal = 4,181 J) est l’énergie nécessaire pour élever la température d’un gramme d’eau de 15 à 16 °C. Dans le domaine de la nutrition, l’unité qu’on désigne par calorie est de 1 Cal = 1 kcal = 4180 J.

L'électron-volt

L’ électron-volt est l’énergie acquise par un électron accéléré par une tension électrique d’un volt. Compte tenu de la valeur de la charge électrique élémentaire, on a 1 eV = 1,602.10-19 J. C’est l’unité des bilans microscopiques d’énergie pour les réactions chimiques ou nucléaires. Dans le domaine des hautes énergies on emploie les unités dérivées avec les préfixes méga, giga ou téra, soit le MeV (106 eV), le Gev (109 eV) ou le TeV (1012 eV).

Les exemples du tableau suivant montrent les ordres de grandeurs très différents des énergies mises en jeu en chimie (physique atomique et moléculaire) et dans le domaine des noyaux et particules élémentaires.

  Réaction  

Énergie

  Dissociation d'une molécule d'hydrogène  

H2 → H + H

  0,76 eV  

  Combustion d'un atome de carbone  

C+O2 → CO2  

  4,1 eV  

  Ionisation d'un atome d'hydrogène  

H → H+ + e-  

  13,6 eV  

  Fusion de deux noyaux d'hydrogène  

p+ + p+ → D + e+ + νe  

  deutérium (D), positon (e+) et neutrino (νe)  

  408 keV  

  Création d'une paire électron-positon  

γ → e- + e+  

  2x511 keV  

  Fission d'un atome d'uranium  

235U + n → X + Y +  k n  

  2 noyaux (X et Y) et k neutrons  

  200 MeV  

  Collision dans l'accélérateur LHC  

p+ + p+ → ... + νe  

  (jet de particules)  

  7 TeV