L'énergie est une des grandeurs physiques. Elle se mesure en joules, en kilowatt-heures et encore dans d'autres unités.

L'énergie est la capacité à produire des actions comme fournir de la chaleur, de la lumière, ou appliquer une force sur quelque-chose qui se déplace comme lorsqu'on tire un objet ou qu'on soulève un poids. Lorsque c'est une mise en mouvement et en physique, on l'appelle un travail. Ce mot provient du grec energia, qui signifie « force en action ». L'énergie se présente sous des formes très variées (énergie chimique, chaleur...).

Dans le cas d'une lampe à huile, la source d'énergie pour produire de la lumière est la combustion de l'huile.

Il ne faut pas confondre l'énergie avec la puissance, qui est combien d'énergie est dépensée ou produite par un temps donné (par seconde en général).

L'énergie se conserve, c'est-à-dire qu'on peut la changer, au moins en partie, d'une forme d'énergie à une autre pour l'utiliser ; mais ensuite l'énergie « consommée » n'a pas disparue. Seulement après cela, elle n'est plus utilisable ou beaucoup moins.

L'énergie est présente dans de nombreux domaines : les activités humaines (l'économie), les phénomènes naturels, la biologie, l'astronomie, etc.

L'énergie se mesure grâce à des unités :

Un joule représente très peu d'énergie. Un enfant qui monte un étage par un escalier a produit un effort de plus de 1 000 joules. On utilise aussi les multiples du joule comme le kilojoule (KJ), le mégajoule (MJ ; 1 000 000 joules) et le gigajoule (GJ).

Les autres unités courantes d'énergie sont notamment :

Les hommes préhistoriques les plus anciens vivaient exclusivement de chasse et de cueillette. Ils ne cuisaient pas les aliments et, comme tous les animaux, n'utilisaient pas d'autre énergie que celle contenue dans leur nourriture (qui permet finalement le travail des muscles) ou dans les rayons du soleil pour se chauffer.

Il y a un peu plus de 500 000 ans, les hommes découvrent et maîtrisent le feu. Ils apprennent à l'entretenir et à l'utiliser pour se chauffer, s'éclairer, se protéger de certains animaux et cuire des aliments. Le bois devient ainsi une grande source d'énergie dans l'histoire de l'humanité. Avec la domestication, les hommes ont aussi utilisé le travail des animaux comme les bœufs et les chevaux.

Avec la révolution industrielle et des découvertes techniques, on a utilisé ensuite d'autres sources d'énergie : les énergies fossiles comme le charbon, le pétrole, le gaz naturel et l'énergie nucléaire ainsi que de nouvelles énergies renouvelables comme l'énergie hydraulique avec l'eau de barrages, le vent (éoliennes) et le soleil (énergie solaire).

La consommation mondiale d'énergie commercialisée était en 2018, d'environ 13 800 000 000 de tonnes d'équivalent pétrole, soit 1,86 tonne d'équivalent pétrole par habitant et par an en moyenne. Cette consommation mondiale a doublé depuis 40 à 45 ans, parce qu'à la fois la population mondiale et la consommation d'énergie par personne ont augmenté. Cela avait déjà énormément augmenté avant.

Cette énergie se répartit (en 2018) en environ 84 % de pétrole, charbon et gaz naturel, 4,4 % de nucléaire et 11,5 % d'énergies renouvelables. En plus de cela, il y a environ 8,5 % de cette quantité qui est des énergies auto-consommées (surtout du bois de chauffage ou pour la cuisine et des chauffe-eaux solaires par exemple). Cela fait donc en tout environ 18,5 % d'énergie renouvelable et 81,5 % d'énergie non renouvelable, qui est principalement des énergies fossiles de type hydrocarbures, et un peu d'énergie nucléaire1.

Le pétrole, le charbon et le gaz naturel utilisés en les brûlant produisent du CO2, un gaz à effet de serre qui est la cause le plus importante du réchauffement climatique. Il est donc recommandé d'en réduire beaucoup et rapidement la consommation pour limiter le réchauffement climatique. Comme ces énergies ne peuvent pas être remplacées dans les même quantités, cela veut dire forcément beaucoup réduire les quantités totales d'énergie consommée.

Au cours du XIXe siècle, les physiciens ont compris que la quantité de chaleur, le travail mécanique (travail d'une force) ou encore l'énergie qu'a un objet par sa vitesse sont des choses échangeables et qui peuvent être comptées avec la même unité : ce sont toutes des formes d'énergie.

Voici quelques exemples de quantités d'énergie, pour évaluer des ordres de grandeur. En effet, selon les domaines dont on parle, bien qu'il s'agisse de la même grandeur physique (elle peut s'exprimer avec la même unité), les quantités sont très différentes :

La masse et la vitesse d'un véhicule représentent de l'énergie cinétique

Un chauffe-eau solaire sur le toit d'un hôtel en Grèce

Étiquette informative d'un paquet de saucisses qui donne l'énergie contenue par 100 grammes et par portion (saucisse) en kilojoules et en kilocalories.

On peut calculer que l'énergie nécessaire pour transporter chaque passager dans une voiture moyenne transportant deux personnes ou dans un avion de ligne normalement rempli est à peu près la même pour la même distance11. Mais comme un avion de ligne va 10 fois plus vite qu'une voiture sur un voyage (900 km/h contre 90 km/h), un voyage de 2 heures d'avion consomme à peu près autant d'énergie que 20 heures de voiture !

Un tas de charbon pour le chauffage, en 1980 en République démocratique allemande ;

une lampe à huile ;

Un stère de bois bien sec représente environ 380 kg de bois soit 1600 kWh ou 5 760 000 000 joules.

L'énergie se trouve sous différentes formes et on peut la convertir d'une forme à l'autre. Cependant, la conversion d'énergie d'une forme à une autre n'est pas toujours possible ou bien seulement en partie et avec des dispositifs plus ou moins difficiles et coûteux. Dans la plupart des transformations de l'énergie (ou conversions) une partie de l'énergie se disperse, en général sous forme de chaleur, et n'est pas récupérable. On appelle cela des pertes.

Il y a l'énergie mécanique, qui elle-même peut être une énergie cinétique, l'énergie potentielle de pesanteur (énergie des objets qui tombent ou qui descendent une pente), une énergie potentielle élastique, ou un travail. L'énergie cinétique, est celle qu'un objet a prise lorsqu'il a de la vitesse, l'énergie potentielle mécanique est par exemple celle d'un arc tendu, et le travail est une force sur une certaine distance. En lâchant la corde d'un arc, l'énergie potentielle devient un travail, une poussée sur la flèche, puis cette énergie devient énergie cinétique de la flèche, puisque celle-ci a pris de la vitesse.

L'énergie chimique est l'énergie qu'une matière peut fournir en étant brûlée (comme du bois de chauffage), par réaction chimique, par décomposition ou en étant consommée comme aliment.

L'énergie lumineuse et en particulier l'énergie solaire se transforme en chaleur qui réchauffe le sol ou notre peau. L'énergie lumineuse est aussi utilisée par les plantes pour leur croissance, elle est alors convertie en énergie chimique.

L'énergie solaire vient de réactions nucléaires de fusion au centre du Soleil, c'est-à-dire d'une énergie nucléaire. Cette forme d'énergie est exploitée par les centrales nucléaires qui la transforment en chaleur puis en électricité.

L'énergie se conserve, on ne peut pas la détruire ni la créer. On ne peut que la convertir (en partie) d'une forme d'énergie à une autre ou la transférer.

Néanmoins ces changement de forme ne peuvent souvent pas être faits dans un sens comme dans l'autre. L'énergie qu'on a utilisé devient beaucoup plus difficile ou impossible à utiliser pour les mêmes usages.

Par exemple l'eau d'un étang, même si elle parait froide, contient beaucoup d'énergie sous forme de chaleur, puisque cette eau pourrait être être beaucoup plus froide. Mais on ne peut pas utiliser directement cette « chaleur » pour faire cuire des aliments ou faire tourner un moteur.

L'électricité est un moyen de transférer de l'énergie sous une forme très pratique à utiliser dans notre vie actuelle pour cuire, se chauffer, s'éclairer, faire marcher les ordinateurs etc. Le réseau de distribution de l'électricité ne contient quasiment pas d'énergie. À chaque instant on y met autant d'énergie que celle qui est consommée. C'est un peu comme la chaîne du vélo qui transfère l'énergie du cycliste à la roue arrière.

Il existe d'autres moyens de transférer de l'énergie :

On appelle « énergie primaire » l'énergie d'un carburant ou d'un combustible, ou une autre énergie qu'on trouve dans la nature, avant qu'elle soit transformée pour être utilisable directement ou facilement, par exemple sous forme d'électricité ou d'énergie mécanique pour faire avancer une voiture. La transformation de l'énergie primaire en énergie utilisable se fait avec des pertes, en général sous forme de chaleur. Le rapport entre l'énergie disponible sous la forme voulue et l'énergie primaire est le rendement. Le rendement d'une centrale électrique thermique est de l'ordre de 35 à 50 %. Celui d'un moteur à essence est plus faible.

Produire de la chaleur est plus facile : un poêle ou une chaudière de chauffage atteignent un rendement de 70 à 80 %. Les pertes sont alors surtout la chaleur des fumées.

Par exemple l'énergie mécanique cinétique d'une voiture ou d'un vélo roulant qui freine se transforme en chaleur ou énergie calorifique dans les freins qui chauffent très fortement.

Les organismes vivants utilisent de l'énergie pour leur croissance et leur métabolisme. Les animaux l'utilisent aussi pour leurs mouvements par les muscles, et pour maintenir la température de leur corps quand il s'agit d'animaux homéothermes (couramment appelés animaux à sang chaud).

La source de l'énergie des plantes est la lumière du Soleil, donc de l'énergie solaire, que les plantes captent et transforment par le processus de photosynthèse. Ces plantes (dont des algues) sont ensuite l'origine presque unique de l'énergie de tout les autres organismes qui les mangent, comme les animaux et les champignons. C'est la chaîne alimentaire.

Les réserves d'énergie des organismes sont sous forme d'énergie chimique : principalement les lipides et les glucides. Les lipides sont les huiles et graisses tandis que les glucides ou sucres complexes, comme le glycogène chez les animaux ou l'amidon chez les plantes, sont une forme de stockage des sucres plus facilement utilisables que les lipides.

À l'intérieur des organismes (plantes, animaux, bactéries...), presque toutes les fonctions qui demandent de l'énergie utilisent une molécule particulière : l'adénosine triphosphate ou ATP. Lorsque les réserves d'énergie sous forme de glucides et de lipides sont utilisées, elles produisent cette molécule qui ensuite est utilisée pour le fonctionnement des muscles par exemple.