2 - LES MULTIPLES VISAGES DE L’ÉNERGIE
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angströms, et les énergies de liaison typiques de 0,1 eV à quelques électronvolts
par atome.
Ces ordres de grandeur se reflètent à notre échelle dans de nombreuses énergies
d’usage courant, qui sont dominées à l’échelle microscopique par l’interaction électrique, ou plus généralement électromagnétique. L’énergie chimique, libérée par
exemple par une combustion, n’est autre qu’une variation d’énergie coulombienne
et cinétique associée au réarrangement des molécules. Rapportée à une mole, une
énergie par particule de 1 eV conduit à 96,5 kJ . mol
–1 , c’est-à-dire 27 Wh . mol
–1 ou
23 kcal . mol
–1 (voir le paragraphe sur les unités). On vérifie que la chaleur de combustion du pétrole (1 tep = 12 MWh) correspond bien à quelques dizaines d’électronvolts par molécule (plus précisément 0,45 eV fois la masse molaire moyenne
en g . mol
–1 ). D’autres réactions chimiques que les combustions donnent en général des chiffres plus faibles, quoique comparables. Par exemple, en électrochimie,
la force électromotrice typique d’une pile, 1 à 3 V, indique que la variation d’énergie
d’un électron est de 1 à 3 eV lorsqu’il passe d’une électrode à l’autre. La même
valeur se retrouve pour la largeur typique d’une bande interdite de semi-conducteur,
paramètre essentiel pour les photopiles et tous les dispositifs électroniques. En
biochimie, la source d’énergie des processus intracellulaires est l’hydrolyse de
l’ATP en ADP (adénosine tri- et di-phosphate), réaction qui dégage 0,5 eV par molécule ou 50 kJ par mole. Dans un organisme humain, 40 kg d’ATP sont ainsi transformés chaque jour, ce qui nécessite une régénération permanente d’ADP en ATP par
consommation de glucose fourni par l’alimentation ; ce chiffre est en accord avec
la puissance moyenne absorbée sous forme d’aliments, 2700 kcal/jour ou 130 W.
La cohésion des solides est analogue à la liaison des molécules. En conséquence,
leur énergie élastique, par exemple celle d’un ressort tendu, leur énergie calorifique, qui reflète à notre échelle les vibrations du réseau cristallin ou dans un
métal les mouvements des électrons, sont de nature électromagnétique. La valeur
de l’énergie de liaison peut s’estimer à l’aide des chaleurs de fusion et de vaporisation, par exemple pour l’eau 0,06 eV (correspondant à 80 cal . g
–1 ) et 0,1 eV par
molécule, chiffres encore en accord avec les ordres de grandeur ci-dessus.
Bien entendu, l’énergie électrique macroscopique se rattache directement à l’interaction électromagnétique microscopique, qu’elle met en évidence à notre échelle
grâce à des mouvements collectifs de charges élémentaires ou à des densités de
charge macroscopiques. Les unités électriques usuelles traduisent d’ailleurs les
ordres de grandeur de la microphysique. A l’énergie de 1 eV pour un électron correspond une différence de potentiel de 1 V. La charge de N A électrons est le faraday, qui vaut 96 500 C ; ce rapport de l’ordre de 10
5 traduit le fait que seule une
faible fraction des électrons ou des ions est mobile dans un conducteur.
Il faut souligner dans ce contexte l’importance technologique du magnétisme et
surtout du ferromagnétisme, sans lequel nous n’aurions ni alternateurs, ni moteurs,
ni transformateurs, ni donc lignes à haute tension. Il est intéressant de noter que
le magnétisme, propriété essentielle pour notre emploi quotidien de l’électricité,
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angströms, et les énergies de liaison typiques de 0,1 eV à quelques électronvolts
par atome.
Ces ordres de grandeur se reflètent à notre échelle dans de nombreuses énergies
d’usage courant, qui sont dominées à l’échelle microscopique par l’interaction électrique, ou plus généralement électromagnétique. L’énergie chimique, libérée par
exemple par une combustion, n’est autre qu’une variation d’énergie coulombienne
et cinétique associée au réarrangement des molécules. Rapportée à une mole, une
énergie par particule de 1 eV conduit à 96,5 kJ . mol
–1 , c’est-à-dire 27 Wh . mol
–1 ou
23 kcal . mol
–1 (voir le paragraphe sur les unités). On vérifie que la chaleur de combustion du pétrole (1 tep = 12 MWh) correspond bien à quelques dizaines d’électronvolts par molécule (plus précisément 0,45 eV fois la masse molaire moyenne
en g . mol
–1 ). D’autres réactions chimiques que les combustions donnent en général des chiffres plus faibles, quoique comparables. Par exemple, en électrochimie,
la force électromotrice typique d’une pile, 1 à 3 V, indique que la variation d’énergie
d’un électron est de 1 à 3 eV lorsqu’il passe d’une électrode à l’autre. La même
valeur se retrouve pour la largeur typique d’une bande interdite de semi-conducteur,
paramètre essentiel pour les photopiles et tous les dispositifs électroniques. En
biochimie, la source d’énergie des processus intracellulaires est l’hydrolyse de
l’ATP en ADP (adénosine tri- et di-phosphate), réaction qui dégage 0,5 eV par molécule ou 50 kJ par mole. Dans un organisme humain, 40 kg d’ATP sont ainsi transformés chaque jour, ce qui nécessite une régénération permanente d’ADP en ATP par
consommation de glucose fourni par l’alimentation ; ce chiffre est en accord avec
la puissance moyenne absorbée sous forme d’aliments, 2700 kcal/jour ou 130 W.
La cohésion des solides est analogue à la liaison des molécules. En conséquence,
leur énergie élastique, par exemple celle d’un ressort tendu, leur énergie calorifique, qui reflète à notre échelle les vibrations du réseau cristallin ou dans un
métal les mouvements des électrons, sont de nature électromagnétique. La valeur
de l’énergie de liaison peut s’estimer à l’aide des chaleurs de fusion et de vaporisation, par exemple pour l’eau 0,06 eV (correspondant à 80 cal . g
–1 ) et 0,1 eV par
molécule, chiffres encore en accord avec les ordres de grandeur ci-dessus.
Bien entendu, l’énergie électrique macroscopique se rattache directement à l’interaction électromagnétique microscopique, qu’elle met en évidence à notre échelle
grâce à des mouvements collectifs de charges élémentaires ou à des densités de
charge macroscopiques. Les unités électriques usuelles traduisent d’ailleurs les
ordres de grandeur de la microphysique. A l’énergie de 1 eV pour un électron correspond une différence de potentiel de 1 V. La charge de N A électrons est le faraday, qui vaut 96 500 C ; ce rapport de l’ordre de 10
5 traduit le fait que seule une
faible fraction des électrons ou des ions est mobile dans un conducteur.
Il faut souligner dans ce contexte l’importance technologique du magnétisme et
surtout du ferromagnétisme, sans lequel nous n’aurions ni alternateurs, ni moteurs,
ni transformateurs, ni donc lignes à haute tension. Il est intéressant de noter que
le magnétisme, propriété essentielle pour notre emploi quotidien de l’électricité,