Unités de l'énergie

Le Système international d’unités (SI) est un système décimal exception faite de la mesure du temps. Il compte 7 unités de base : le mètre (m), le kilogramme (kg), la seconde (s), l’ampère (A), le kelvin (K), la mole (mol) et le candela (cd). Des unités en sont dérivées comme le joule pour l’énergie.

Il est né (sous cette terminologie) lors d’une conférence générale des poids et mesures en 1960 et a été complété par introduction de la mole en 1971. Il est l’héritier de toute une série de travaux de normalisation initiés en Angleterre en 1668 par la Royal Society.

Dans le cheminement aboutissant à sa création, le vote par l’Assemblée nationale française en 1790 d’un texte amenant à la création d’un système de mesure uniforme et métrique a constitué une étape importante.

Les unités de base du SI ont été redéfinies lors de la conférence générale des poids et mesures de novembre 2018 à Versailles.

Le Système international d’unités a été adopté officiellement par tous les pays, à l’exception des États-Unis, du Libéria et de la Birmanie. 

En France, le Code pénal interdit l’usage d’unités de mesure autres que celles établies par les règles et lois en vigueur, c'est-à-dire principalement par le Système international d’unités.

La mesure des énergies concerne des phénomènes d’ordre de grandeur exceptionnellement différents. D'un électron-volt à une tonne d’équivalent pétrole, il y a ainsi 29 ordres de grandeur de différence. Autrement dit, il faut multiplier l’énergie d’un électron-volt par un nombre ayant 30 chiffres avant la virgule pour obtenir un ordre de grandeur équivalent à celui d’une tonne d’équivalent pétrole.

Cette disparité explique l’usage d’unités différentes. Malheureusement, elle crée fréquemment des confusions sur les ordres de grandeur, ce qui est nuisible à la compréhension des phénomènes.

Illustrations de quelques ordres de grandeur :

• énergie délivrée par un flash d’appareil photo : en dizaines de joules;
• énergie cinétique d’une voiture d’1,5 tonne roulant à 125 km/h : en millions de joules (10⁶ J) ;
• énergie d’un kilomètre cube d’air se déplaçant à 250 km/h lors d’un ouragan : en milliers de milliards de joules (10¹² J) ;
• énergie totale du soleil qui atteint la terre en une seconde : en centaines de millions de milliards de joules (10¹⁷ J) ;
• énergie consommée dans le monde en une année : en centaines de milliards de milliards de joules (10²⁰ J).

L’unité de mesure de référence de l’énergie est le joule (J). Celui-ci s’inscrit dans un système global appelé Système international d’unités (SI). Il est légalement en vigueur en France, ainsi que dans la quasi-totalité des pays du monde.

Le joule est défini comme le travail d’une force d’un Newton dont le point d’application se déplace d’un mètre dans la direction de la force. Il représente une quantité d’énergie perçue comme petite dans l’activité courante d’un être humain, ce qui handicape son usage dans certaines circonstances.

Aussi est-il parfois utilisé au travers de ses multiples en milliers : kilojoule (1 kJ soit 10³ J), mégajoule (1 MJ = 10⁶ J), gigajoule (1 GJ = 10⁹ J), etc.

Le joule se définit en référence à d’autres unités de masse, de longueur et de temps du Système international, il est une unité dite dérivée (kg.m2.s-2).

Le joule tire son nom d’un physicien anglais James Prescott Joule (1818-1889). Outre la direction d’une fabrique de bières, il se consacra à l’étude des sciences notamment dans les domaines électriques, magnétiques et thermiques. Il formula entre autres la loi régissant les dégagements de chaleur provoqués par le passage d’un courant électrique dans un conducteur.

Dans la pratique, contrairement à la plupart des autres unités du Système international, l’énergie est fréquemment mesurée en utilisant d’autres unités que le joule.

Celles-ci ont généralement un usage adapté à un domaine d’activité et/ou bénéficient d’un long historique d’utilisation : électron-volt (eV), erg (erg), calorie (cal), Calorie (kcal), British Thermal Unit (BTU), kilowatt-heure (kWh), tonne d’équivalent pétrole (tep), etc.

électron-volt (eV)

L'énergie cinétique gagnée par un électron accéléré par une différence de potentiel d’un volt, utilisée principalement dans le monde scientifique des physiciens car elle correspond à l’ordre de grandeur de l’énergie d’un électron au sein d’un atome.

Conversion en Joule : 1 eV = 1,602.10^-19 J

erg (erg)

L'unité d’énergie constitutive d’un système différent du Système international, appelé CGS (dont les unités de base sont le centimètre, le gramme et la seconde).

Conversion en Joule : 1 erg = 10^-7 J

calorie (cal)

L'unité historique de mesure de l’énergie définie initialement par Nicolas Clément en 1824 comme étant la quantité de chaleur nécessaire pour élever d’un degré Celsius  la température d’un kg d’eau. Cette définition imprécise a été par la suite spécifiée et déflatée d’un coefficient 1 000 en indiquant qu’il s’agissait de la quantité de chaleur nécessaire pour élever un gramme d’eau dégazée de 14,5°C à 15,5°C sous un bar de pression atmosphérique.

Conversion en Joule : 1 cal = 4,1855 J

• Il est parfois fait usage dans le monde de la réfrigération d’une unité « négative » la frigorie (fg) :  1 fg = -1 cal.
• La notion de Grande calorie (Cal ou kcal) est utilisée principalement en diététique : 1 Cal = 1 kcal = 10³ cal = 4 185,5 J
• La thermie (th) est une unité ancienne d’énergie : 1 th = 10⁶ cal = 4 185,5.10³ J

British Thermal Unit (Btu ou BTU)

L'unité d’énergie anglo-saxonne définie comme étant la quantité de chaleur nécessaire pour élever d’un degré Fahrenheit une livre anglaise d’eau dans une atmosphère d’un bar.

Conversion en Joule : 1 BTU = 1 055 J

Kilowattheure (kW.h ou kWh)

L'énergie consommée par un appareil de 1 000 watts pendant une durée d’une heure. Cette unité est particulièrement utilisée dans les industries électriques. Il est fait usage également du wattheure (Wh) et des multiples par milliers du kWh que sont le mégawattheure (MWh) et le gigawattheure (GWh).

Conversion en Joule : 1 kWh = 3,6.10⁶ J

Le kWh est défini en référence à une unité de puissance, le watt qui fait partie du Système international d’unités (SI). Il arrive fréquemment qu’il y ait confusion dans le langage courant entre énergie et puissance. Or, la puissance d’une machine est l’énergie qu’elle fournit pendant une unité de temps : un watt est la puissance d’une machine qui fournit un joule toutes les secondes. À l’inverse, un Wh est l’énergie fournie en une heure par une machine d'un watt.

Tonne de TNT

L'énergie libérée lors de l’explosion d’une tonne d’un explosif appelé TNT. Sa valeur est susceptible de varier suivant les conditions de l’explosion. Elle a cependant été normalisée. L’usage de la tonne de TNT est dans la pratique essentiellement réservé au monde militaire.

Conversion en Joule : 1 tonne de TNT = 4,184.10⁹ J

Tonne d’équivalent pétrole (tep)

L'énergie calorifique d’une tonne de pétrole « moyen ». Cette unité est particulièrement utilisée par les économistes de l’énergie qui font fréquemment référence à certains de ses multiples par milliers : ktep (10³ tep), Mtep (10⁶ tep).

Conversion en Joule : 1 tep = 4,186.10¹⁰ J

Dans le même esprit que la tonne d’équivalent pétrole, il est fait parfois référence à une unité d’énergie équivalente à un baril de pétrole. La valeur en est fixée de manière conventionnelle. La tep (tonne d'équivalent pétrole) permet de mesurer l'énergie calorifique d'une tonne de pétrole « moyen ». Elle est souvent employée dans les bilans énergétiques : ktep (10³ tep), Mtep (10⁶ tep).

Conversion en Joule : 1 tep = 7,33 barils de pétrole

Avant la référence au pétrole, pour définir une unité énergétique d’un point de vue économique et industriel, il était fait référence à la tonne d’équivalent charbon (tec). Par ailleurs, suivant les circonstances industrielles, sont également utilisées les tonnes d’autres produits énergétiques : essence, fioul lourd, gaz, lignite, etc.

Conversion en Joule : 1 tec = 2,930.10¹⁰ J