{"id":11844,"date":"2018-12-16T10:04:47","date_gmt":"2018-12-16T09:04:47","guid":{"rendered":"https:\/\/aitia.fr\/erd\/?p=11844"},"modified":"2022-01-10T15:13:13","modified_gmt":"2022-01-10T14:13:13","slug":"physique-ordinaire-de-lextraordinaire","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/aitia.fr\/erd\/physique-ordinaire-de-lextraordinaire\/","title":{"rendered":"Physique ordinaire de l’extraordinaire"},"content":{"rendered":"

Ou les \u00e9tonnantes vertus explicatives du refroidissement de l’eau chaude.<\/em><\/p>\n

Mise \u00e0 jour du 9 mars 2019 :<\/strong> gr\u00e2ce \u00e0 Heinz Pommer, auteur d’un gros travail<\/a> sur le caract\u00e8re nucl\u00e9aire des destructions survenues \u00e0 Ground Zero<\/a>, la version allemande de cet article est maintenant en ligne sur Ken FM<\/a>. Vielen Dank Heinz!<\/p>\n

La \u00ab reine des sciences \u00bb, cette inconnue<\/h2>\n

\"\"<\/a>Nous vivons tous dans un environnement hyper-technique qui doit beaucoup aux avanc\u00e9es de la physique. Certains de ses d\u00e9veloppements sont d\u00e9j\u00e0 anciens (comme la thermodynamique<\/a>, qui permit l’utilisation massive des machines \u00e0 vapeur, puis des moteurs \u00e0 combustion interne de nos automobiles), d’autres plus r\u00e9cents (la physique du solide<\/a>, qui permit l’explosion de l’\u00e9lectronique puis de l’informatique). Chacun peut aujourd’hui utiliser le GPS de son smartphone<\/em> avec une extr\u00eame simplicit\u00e9, sans avoir la moindre id\u00e9e des prouesses scientifiques et techniques qui se cachent derri\u00e8re, les mesures de distance \u00e9tant bas\u00e9es sur des temps de parcours d’ondes \u00e9lectromagn\u00e9tiques voyageant \u00e0 300 000 km\/s.<\/p>\n

Mais ces exploits scientifico-techniques ont un revers : \u00e0 force d’utiliser des objets \u00ab magiques \u00bb, qui nous ob\u00e9issent au doigt et \u00e0 l’\u0153il comme si nous \u00e9tions Harry Potter au mieux de sa forme, nous finissons par accepter une forme de \u00ab pens\u00e9e magique \u00bb. Nous redevenons des enfants de moins de 7 ans (l’\u00e2ge de raison) et sommes pr\u00eats \u00e0 croire n’importe quoi. Il est temps de prendre conscience de ces d\u00e9rives, et de rappeler que les physiciens et les ing\u00e9nieurs ne sont pas des magiciens. Ce n’est pas la nature qui leur ob\u00e9it, mais bien au contraire eux qui doivent ob\u00e9ir scrupuleusement aux lois de la nature qu’ils formalisent.<\/p>\n

<\/p>\n

Les ordres de grandeur avant toute chose<\/h2>\n

Pour le grand public, la physique est synonyme de mesures ou calculs tr\u00e8s pr\u00e9cis. Ils en font partie, c’est vrai – je citais ci-dessus l’exemple du GPS – mais le travail d’un physicien, ou d’un ing\u00e9nieur, consiste d’abord \u00e0 simplifier des probl\u00e8mes en situant correctement leurs ordres de grandeur, particuli\u00e8rement lorsqu’ils sont nouveaux. Dans la vie de tous les jours, nous raisonnons sans arr\u00eat de cette fa\u00e7on, intuitivement. Par exemple, nous ne savons pas forc\u00e9ment quel est le prix d’un kg de pommes – qui varie selon la saison, la vari\u00e9t\u00e9, la qualit\u00e9 et le commer\u00e7ant – mais nous savons que ce ne peut pas \u00eatre 100 \u20ac, ni un centime d’euro, parce que nous sommes habitu\u00e9s \u00e0 ces situations.<\/p>\n

Le travail du physicien ou de l’ing\u00e9nieur consiste d’abord \u00e0 \u00e9tendre cette intuition \u00e0 ses domaines d’\u00e9tude, en faisant au besoin des estimations tr\u00e8s grossi\u00e8res. Enrico Fermi<\/a>, le physicien italien pionnier de l’\u00e9nergie nucl\u00e9aire, \u00e9tait c\u00e9l\u00e8bre pour poser \u00e0 ses \u00e9tudiants des probl\u00e8mes qui testaient leur capacit\u00e9 \u00e0 \u00ab se d\u00e9brouiller \u00bb en l’absence de donn\u00e9es pr\u00e9cises. Il leur demandait par exemple d’estimer le nombre d’accordeurs de piano \u00e0 Chicago<\/span>1<\/sup><\/a><\/span>, o\u00f9 il habitait ! Pour les \u00e9v\u00e9nements du 11 septembre 2001, qui sont clairement extraordinaires au sens litt\u00e9ral du terme, il faut commencer par l\u00e0.<\/p>\n

Voir sans arri\u00e8re-pens\u00e9e<\/h2>\n

Il est tr\u00e8s difficile de \u00abcontempler\u00bb les \u00e9v\u00e9nements survenus le 11 septembre 2001 de fa\u00e7on froide et objective, comme doit le faire tout scientifique \u00e0 la recherche d’une explication \u00e0 un ph\u00e9nom\u00e8ne, en raison de la charge \u00e9motionnelle qu’ils v\u00e9hiculent. Mais leur c\u00f4t\u00e9 spectaculaire peut aussi nous aider, justement en raison des ordres de grandeur inhabituels de ces ph\u00e9nom\u00e8nes, qui excluent certaines interpr\u00e9tations. Un aspect remarquable de ces attentats est la d\u00e9vastation du World Trade Center<\/em> qui suivit la destruction des trois gratte-ciel (WTC1, WTC2 et WTC7). Les incendies persist\u00e8rent dans les d\u00e9combres pendant de tr\u00e8s longues semaines : officiellement, le dernier incendie fut \u00e9teint 100 jours apr\u00e8s le 11 septembre<\/span>2<\/sup><\/a><\/span>.<\/p>\n

Ce simple fait pose question, surtout vu l’effectif impressionnant de pompiers pr\u00e9sents sur le site : comment se fait-il que des hommes aussi nombreux et exp\u00e9riment\u00e9s aient mis autant de temps \u00e0 ma\u00eetriser ces incendies ? On peut aussi regarder les images des premiers jours et semaines apr\u00e8s les attentats et \u00eatre tr\u00e8s surpris de l’immense panache blanc qui s’\u00e9levait de Manhattan, comme le montre tr\u00e8s bien l’image ci-dessous :<\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Cette photographie a \u00e9t\u00e9 prise le 11 septembre 2001 \u00e0 10h35 d’apr\u00e8s les donn\u00e9es EXIF<\/a>, c’est-\u00e0-dire 7 minutes apr\u00e8s l’effondrement de la deuxi\u00e8me tour. Les incendies sont donc bien pr\u00e9sents dans les ruines de Ground Zero<\/em> (et la tour n\u00b07 n’est pas encore tomb\u00e9e). Cependant, une observation attentive de l’image montre que ce ne sont pas<\/em> des fum\u00e9es d’incendie que l’on voit, mais en grande majorit\u00e9 de simples \u00ab nuages blancs \u00bb r\u00e9sultant de la condensation de vapeur d’eau. C’est particuli\u00e8rement visible sur les b\u00e2timents du bord de la zone (au centre, une fum\u00e9e plus sombre signale bien la pr\u00e9sence d’incendies) qui ne sont pas en feu, mais desquels semble s’\u00e9chapper une tra\u00een\u00e9e de condensation, exactement comme on peut en observer au-dessus d’une aile d’avion dans une atmosph\u00e8re humide<\/span>3<\/sup><\/a><\/span>.<\/p>\n

Il s’agit du m\u00eame ph\u00e9nom\u00e8ne : du c\u00f4t\u00e9 des immeubles oppos\u00e9 au vent, une l\u00e9g\u00e8re d\u00e9pression fait condenser la vapeur d’eau d’une atmosph\u00e8re satur\u00e9e d’humidit\u00e9. M\u00eame si les media de masse nous ont pr\u00e9sent\u00e9 cet immense panache comme la fum\u00e9e des incendies, il faut en r\u00e9alit\u00e9 le voir pour ce qu’il est : Manhattan est devenu apr\u00e8s les attentats un immense g\u00e9n\u00e9rateur de vapeur<\/strong>, o\u00f9 la fum\u00e9e des incendies n’occupe qu’une place mineure. La caldeira<\/a> de Yellowstone<\/a> en plein New-York…<\/p>\n

Or, pour g\u00e9n\u00e9rer de telles quantit\u00e9s de vapeur, il est \u00e9vident qu’il faut \u00e0 la fois beaucoup d’eau et beaucoup de chaleur. Nous voici donc avec un ph\u00e9nom\u00e8ne dont l’ordre de grandeur<\/em> sort totalement de l’ordinaire, et qu’il faut expliquer.<\/p>\n

Trouver l’eau et la chaleur<\/h2>\n

L’origine de l’eau<\/h3>\n

Manhattan \u00e9tant une presqu’\u00eele, l’eau n’est \u00e9videmment pas difficile \u00e0 trouver \u00e0 proximit\u00e9 ; mais pour autant, les New-Yorkais ne vivent pas en g\u00e9n\u00e9ral les pieds dans la boue ou ne se d\u00e9placent pas en barque sur des mar\u00e9cages. Il faut donc comprendre pourquoi de grandes quantit\u00e9s d’eau se sont retrouv\u00e9es l\u00e0 o\u00f9 d’ordinaire les pieds des New-Yorkais sont au sec. On pourrait penser qu’une \u00e9norme quantit\u00e9 d’eau a \u00e9t\u00e9 d\u00e9vers\u00e9e justement pour \u00e9teindre les incendies ; c’est vrai, mais constitue seulement une part mineure de l’eau qui a impr\u00e9gn\u00e9 le World Trade Center<\/em> avant de s’\u00e9vaporer.<\/p>\n

Selon un rapport du Lawrence Livermore National Laboratory<\/em> publi\u00e9 le 1er octobre 2002, et consacr\u00e9 \u00e0 l’\u00e9tude des traces de tritium au World Trade Center<\/em><\/span>4<\/sup><\/a><\/span>, on estime (gr\u00e2ce au volume pomp\u00e9) \u00e0 3 millions de gallons<\/a> (11 000 m$^{3}$) la quantit\u00e9 d’eau d\u00e9vers\u00e9e par les pompiers entre le 11 et le 21 septembre, mais dans le m\u00eame temps la pluie apportait 1 million de gallons suppl\u00e9mentaires et surtout<\/strong>, environ 26 millions de gallons (pr\u00e8s de 100 000 m$^{3}$) s’infiltraient \u00e0 cause des fuites dans la \u00ab baignoire \u00bb (bathtub<\/em>) qui prot\u00e9geait les sous-sols du World Trade Center<\/em> des infiltrations d’eau souterraines (p. 9).<\/p>\n

L’information est capitale : le mur souterrain (slurry wall<\/em>) d’une hauteur de 7 \u00e9tages qui maintenait le World Trade Center<\/em> au sec, construit directement sur le socle rocheux comme les fondations des gratte-ciel, est endommag\u00e9 et a m\u00eame boug\u00e9<\/strong> selon ce rapport (\u00ab Other pumps were installed (after 9\/21) along Liberty Street to stabilize the Slurry Wall, which had moved. \u00bb<\/em>). Une infographie toujours en ligne du New York Times<\/span>5<\/sup><\/a><\/span> montre que les diff\u00e9rents niveaux souterrains du World Trade Center<\/em> sont, sous les Tours jumelles, \u00ab effondr\u00e9s ou gravement endommag\u00e9s \u00bb (ci-dessous le plus profond) :\"\"<\/a><\/p>\n

On a du mal \u00e0 comprendre comment l’effondrement de gratte-ciel, m\u00eame tr\u00e8s hauts, peut d\u00e9truire des infrastructures souterraines profondes<\/em>, faire bouger et cr\u00e9er des trous (on parle d’un trou de 90 pieds de large, soit 27 m\u00e8tres, dans un article de NY1 News<\/span>6<\/sup><\/a><\/span>) dans un mur souterrain d’\u00e9tanch\u00e9it\u00e9… \u00e0 moins bien s\u00fbr que l’effondrement soit la cons\u00e9quence<\/em> de ces d\u00e9g\u00e2ts et non leur cause.<\/p>\n

Lorsqu’on cherche des r\u00e9ponses, il est fr\u00e9quent de se trouver confront\u00e9 \u00e0 de nouvelles questions. Laissons donc pour l’instant cette information de c\u00f4t\u00e9, m\u00eame si elle est \u00e0 l’\u00e9vidence importante, et cherchons maintenant d’o\u00f9 venait la chaleur.<\/p>\n

L’origine de la chaleur<\/h3>\n

Tout le monde a d\u00e9j\u00e0 fait l’exp\u00e9rience de se servir un caf\u00e9 ou un th\u00e9 et de le voir refroidir peu \u00e0 peu dans la tasse. Un objet chaud plac\u00e9 dans un environnement plus froid transf\u00e8re sa chaleur au milieu environnant jusqu’\u00e0 se retrouver en \u00e9quilibre thermique avec lui. C’est ce que les physiciens ont \u00e9rig\u00e9 en principe, le deuxi\u00e8me principe de la thermodynamique<\/strong><\/a>. Le premier principe<\/strong><\/a> est \u00e9galement tr\u00e8s important : il stipule que l’\u00e9nergie se conserve. En d’autres termes, si la tasse de th\u00e9 se refroidit, c’est parce que la chaleur qu’elle contient initialement s’en va ailleurs, mais ne dispara\u00eet pas.<\/p>\n

Un objet qui se refroidit le fait de trois mani\u00e8res : par conduction<\/em><\/a>, par convection<\/em><\/a> et par rayonnement<\/em><\/a>. Lorsque nous touchons la paroi br\u00fblante d’une casserole, la chaleur nous est transmise par conduction<\/em> ; cela suppose le contact. Lorsque nous mettons notre main au-dessus de l’eau chaude de la casserole, nous sentons \u00e9galement de la chaleur mais moins violemment. Elle nous est apport\u00e9e \u00e0 la fois par les mouvements d’air chaud ascendants qui se produisent au-dessus de l’eau, c’est la convection<\/em> ; et par le rayonnement<\/em> (infrarouge<\/a>, donc invisible) \u00e9mis par l’eau et que notre main re\u00e7oit.<\/p>\n

\"\"<\/a>

Vous ne savez pas quel cadeau faire \u00e0 votre autruche pour No\u00ebl ? La thermographie infrarouge vous conseille de lui offrir
une \u00e9charpe (longue) !<\/p><\/div>\n

Pour le physicien, le World Trade Center<\/em> apr\u00e8s les attentats n’est pas tr\u00e8s diff\u00e9rent d’une tasse de th\u00e9. Il a mis, lui aussi, un certain temps \u00e0 refroidir, et par les trois moyens cit\u00e9s ci-dessus, dont les effets s’additionnent. Autrement dit, m\u00eame si l’on n’en \u00e9tudie qu’un seul, et qu’on est capable d’estimer quelle quantit\u00e9 de chaleur est rel\u00e2ch\u00e9e dans l’environnement par ce moyen, on peut \u00eatre s\u00fbr que la quantit\u00e9 totale<\/em> de chaleur lib\u00e9r\u00e9e \u00e9tait sup\u00e9rieure.<\/p>\n

Le transfert de chaleur par convection est tr\u00e8s couramment utilis\u00e9 : par le radiateur du moteur d’une automobile (convection forc\u00e9e), ou par nos radiateurs de chauffage central (convection naturelle). C’est donc un ph\u00e9nom\u00e8ne parfaitement connu des ing\u00e9nieurs et architectes, qui doivent construire des moteurs fiables et des maisons confortables. Ils mod\u00e9lisent ce transfert de chaleur via un coefficient de transfert thermique, g\u00e9n\u00e9ralement not\u00e9 h<\/em><\/span>7<\/sup><\/a><\/span>, et dont les valeurs d\u00e9pendent de consid\u00e9rations g\u00e9om\u00e9triques (surface horizontale ou verticale, surface chaude vers le bas ou vers le haut…). Connaissant ce coefficient, l’aire de la surface chaude et la diff\u00e9rence de temp\u00e9rature avec l’air ambiant, on en d\u00e9duit une puissance thermique. C’est ainsi qu’on dimensionne correctement un radiateur afin qu’il chauffe correctement (ni trop, ni trop peu) une pi\u00e8ce.<\/p>\n

Ground Zero<\/em> peut se voir comme une simple plaque de cuisson \u00e9lectrique : une surface chaude, \u00e0 laquelle on peut associer une puissance en watts. Certes, la d\u00e9termination pr\u00e9cise de cette puissance (maximale au d\u00e9part, puis d\u00e9croissant au fil des mois jusqu’\u00e0 devenir nulle) est quasiment impossible, mais une estimation<\/em> est possible, si c’est l’ordre de grandeur qui nous int\u00e9resse : on retrouve l\u00e0 notre probl\u00e8me de Fermi.<\/p>\n

Par chance, nous avons \u00e0 notre disposition des relev\u00e9s de temp\u00e9rature de Ground Zero<\/em> dans les semaines qui ont suivi les attentats, gr\u00e2ce \u00e0 de la thermographie infrarouge a\u00e9rienne. Cette page par exemple<\/a> (merci \u00e0 Bertrand, un lecteur, qui me l’a signal\u00e9e) regroupe de nombreuses sources de donn\u00e9es sur le sujet. Le rayonnement \u00e9mis par un objet chaud ayant un spectre d\u00e9pendant fortement de sa temp\u00e9rature (loi de Planck<\/a>), l’analyse spectrale de ce rayonnement permet en effet de mesurer des temp\u00e9ratures \u00e0 distance comme on prend des photographies, ce qui permet par exemple de rep\u00e9rer rapidement les \u00ab fuites thermiques \u00bb de b\u00e2timents (ou d’autruches) qu’on souhaite mieux isoler.<\/p>\n

\"Imagerie<\/a>

Thermographie infrarouge de Ground Zero<\/i>
r\u00e9alis\u00e9e le 7 octobre 2001 par EarthData.<\/p><\/div>\n

Ces relev\u00e9s nous donnent acc\u00e8s \u00e0 la fois \u00e0 l’\u00e9tendue de la zone chaude et aux temp\u00e9ratures de certains points, comme une zone \u00e0 environ 730\u00b0C (1000 K<\/a>) le 16 septembre dans les d\u00e9combres du WTC7<\/span>8<\/sup><\/a><\/span>. Ces temp\u00e9ratures sont par ailleurs confirm\u00e9es par les t\u00e9moignages de pompiers parlant d’un v\u00e9ritable \u00ab enfer sur Terre \u00bb et de semelles des bottes qui fondaient. Ils nous permettent donc d’acc\u00e9der, au moins en ordre de grandeur, \u00e0 la puissance thermique de notre \u00ab plaque chauffante \u00bb, ou plus exactement de nos trois<\/strong> plaques chauffantes : les restes des WTC1, WTC2 et WTC7. Il est d’ailleurs significatif que la tour n\u00b07, bien que n’ayant subi que de tr\u00e8s faibles incendies compar\u00e9s \u00e0 ceux des Tours Jumelles, laisse des d\u00e9bris \u00e0 peu pr\u00e8s aussi chauds que les autres…<\/p>\n

Ce n’est pas l’endroit ici pour d\u00e9tailler des calculs, mais chacun pourra s’entra\u00eener \u00e0 les faire \u00e0 partir des r\u00e9f\u00e9rences que j’indique : il s’agit d’un probl\u00e8me tr\u00e8s classique de transfert thermique. Pour ma part, j’ai abouti \u00e0 une puissance initiale de chauffe totale<\/strong> $P_{0}$ \u2248 70 MW, chiffre tr\u00e8s impr\u00e9cis. On en retiendra donc seulement l’ordre de grandeur, et on rappellera qu’il ne constitue qu’une partie<\/em> de la puissance totale (le rayonnement, surtout au d\u00e9but o\u00f9 les temp\u00e9ratures sont \u00e9lev\u00e9es, joue un r\u00f4le non n\u00e9gligeable). Revenons un instant \u00e0 la tasse de th\u00e9 : chacun pourra v\u00e9rifier avec un thermom\u00e8tre de cuisine que sa temp\u00e9rature d\u00e9cro\u00eet de fa\u00e7on approximativement exponentielle<\/a>, c’est-\u00e0-dire de plus en plus lentement au fur et \u00e0 mesure que sa temp\u00e9rature se rapproche de celle du salon. Mais m\u00eame si l’\u00e9quilibre complet est th\u00e9oriquement atteint au bout d’un temps infini, une telle d\u00e9croissance a un temps caract\u00e9ristique<\/strong> (appelons-le $\\tau$). Par exemple, pour la tasse de th\u00e9 ce ne sera pas une minute, ni un jour, mais plut\u00f4t une heure. Les lois physiques \u00e9tant universelles, il en est de m\u00eame pour Ground Zero<\/em>. Il suffit alors de conna\u00eetre le temps caract\u00e9ristique qui lui est associ\u00e9 pour conna\u00eetre la chaleur totale lib\u00e9r\u00e9e par le refroidissement complet (appelons-la $Q$) : c’est le produit de ce temps par la puissance initiale, $Q=P_{0}\\, \\tau$.<\/p>\n

Or, nous savons que les incendies ont dur\u00e9 100 jours \u00e0 Ground Zero<\/em>, ce qui nous donne d\u00e9j\u00e0 une estimation de ce temps de refroidissement : plusieurs mois. Il y a m\u00eame eu des relev\u00e9s a\u00e9riens de temp\u00e9rature le 12 f\u00e9vrier 2002, qui bien s\u00fbr ne montrent plus les temp\u00e9ratures extr\u00eames du d\u00e9but. Mais ils prouvent tout de m\u00eame que 5 mois plus tard, persistait encore au niveau du WTC1 une zone suffisamment chaude pour qu’elle \u00e9merge de fa\u00e7on significative du \u00ab bruit de fond \u00bb des mesures. Il para\u00eet donc raisonnable de prendre par exemple $\\tau =4$ mois, ce qui donne une chaleur lib\u00e9r\u00e9e par convection de $7\\times10^{14}$ J<\/span>9<\/sup><\/a><\/span>. Sachant que seul l’ordre de grandeur compte, et que nous n’avons tenu compte ni du rayonnement (\u00e0 la contribution sans doute assez forte vu les tr\u00e8s hautes temp\u00e9ratures initiales) ni de la conduction, ni m\u00eame de la convection par l’eau souterraine (le calcul prend en compte uniquement l’air) ou de l’effet refroidissant suppl\u00e9mentaire des vents (le calcul suppose un vent nul) ou de la pluie, on peut consid\u00e9rer que l’ordre de grandeur<\/em> de la chaleur d\u00e9gag\u00e9e par Ground Zero<\/em> lors de son refroidissement \u00e9tait de $10^{15}$ J, ou encore 1 p\u00e9tajoule<\/strong> (1 PJ).<\/p>\n

C’est une quantit\u00e9 gigantesque, \u00e9gale \u00e0 la chaleur produite par la combustion d’environ 35 000 tonnes de charbon…<\/p>\n

Retour aux fondamentaux<\/h2>\n

La puissance de la physique tient \u00e0 son universalit\u00e9 : les lois du mouvement de Newton s’appliquent partout exactement<\/em> de la m\u00eame fa\u00e7on, la structure des atomes est partout exactement<\/em> la m\u00eame, etc. Mais en plus de ces universalit\u00e9s exactes<\/em> il existe aussi des universalit\u00e9s approch\u00e9es<\/em>, tr\u00e8s int\u00e9ressantes quand il s’agit de comparer uniquement des ordres de grandeur. Et il y en a une qui simplifie grandement les probl\u00e8mes dans le domaine de l’\u00e9nergie.<\/p>\n

Il existe diff\u00e9rents types d’\u00e9nergie que je ne d\u00e9taillerai pas ici. Mais lorsqu’il s’agit d’\u00e9nergie lib\u00e9r\u00e9e par de la mati\u00e8re, nous n’en connaissons que 2 types : l’\u00e9nergie chimique et l’\u00e9nergie nucl\u00e9aire. Plus exactement, les<\/em> \u00e9nergies chimiques et les<\/em> \u00e9nergies nucl\u00e9aires, mais les diff\u00e9rences entre les deux familles sont telles que nous pouvons les trier en deux groupes bien distincts. J’en avais d\u00e9j\u00e0 parl\u00e9 ici<\/a>, je vais en r\u00e9sumer ci-dessous l’essentiel.<\/p>\n

L’\u00e9nergie chimique<\/h3>\n

Les r\u00e9actions chimiques consomment ou lib\u00e8rent de l’\u00e9nergie par modification des liaisons entre les atomes. Par exemple la combustion du carbone pur donne du $CO_{2}$, o\u00f9 le carbone se retrouve li\u00e9 \u00e0 deux atomes d’oxyg\u00e8ne. Or, une liaison chimique n’est rien d’autre que la mise en commun d’\u00e9lectrons par deux ou plusieurs atomes, et ces \u00e9lectrons ont des \u00ab niveaux d’\u00e9nergie \u00bb qui sont bien connus, de l’ordre de quelques \u00e9lectrons-volts<\/span>10<\/sup><\/a><\/span>, qui repr\u00e9sentent l’effort n\u00e9cessaire pour les arracher des atomes. Quand une r\u00e9action chimique lib\u00e8re de l’\u00e9nergie, cela signifie que les \u00e9lectrons se r\u00e9organisent entre les atomes en changeant de niveau d’\u00e9nergie, et c’est la diff\u00e9rence entre les niveaux d’\u00e9nergie initial et final qu’on retrouve \u00ab \u00e0 l’ext\u00e9rieur \u00bb. Rien ne se perd, rien ne se cr\u00e9e : le premier principe impose la conservation de l’\u00e9nergie !<\/p>\n

Mais puisque les niveaux d’\u00e9nergie eux-m\u00eames sont au plus de quelques \u00e9lectrons-volts, leurs diff\u00e9rences<\/em> sont aussi au plus de l’ordre de l’\u00e9lectron-volt. Or, la mati\u00e8re est \u00e9lectriquement neutre : \u00e0 chaque \u00e9lectron (n\u00e9gatif) correspond un proton (positif) dans le noyau, lequel comporte aussi des neutrons, g\u00e9n\u00e9ralement un peu plus que de neutrons<\/span>11<\/sup><\/a><\/span>, mais qui eux sont neutres comme leur nom l’indique. Et la masse de la mati\u00e8re provient presque exclusivement des nucl\u00e9ons (protons + neutrons), car un proton ou un neutron p\u00e8sent environ 1800 fois plus qu’un \u00e9lectron.<\/p>\n

Ces consid\u00e9rations tr\u00e8s fondamentales permettent d’\u00e9noncer une r\u00e8gle simple : puisque c’est l’\u00e9lectron qui lib\u00e8re de l’\u00e9nergie lors d’une r\u00e9action chimique, que la mati\u00e8re est neutre, qu’il y a donc autant de protons que d’\u00e9lectrons et que ce sont les nucl\u00e9ons qui portent la masse, l’\u00e9nergie lib\u00e9r\u00e9e par toute r\u00e9action chimique est de l’ordre, au plus<\/em>, de 1 eV pour une masse d’un nucl\u00e9on, qui est de $1,67\\times10^{-27}$ kg.<\/p>\n

Le calcul donne :<\/p>\n

$$
\n\\frac{1,60\\times10^{-19}\\,\\text{J}}{1,67\\times10^{-27}\\,\\text{kg}}\\approx10^{8}\\,\\text{J\/kg}
\n$$<\/p>\n

ou en langage humain 100 m\u00e9gajoules (MJ) par kilogramme. Il s’agit d’une valeur sup\u00e9rieure<\/em> (car tous les \u00e9lectrons ne participent pas \u00e0 la r\u00e9action chimique, sauf pour l’hydrog\u00e8ne qui n’en a qu’un !) et d’un ordre de grandeur<\/em>, car le calcul est tr\u00e8s approximatif. En pratique, une mati\u00e8re qui lib\u00e8re beaucoup d’\u00e9nergie est \u00e0 quelques dizaines de m\u00e9gajoules (p\u00e9trole : 42 MJ\/kg) et une qui lib\u00e8re une quantit\u00e9 plus mod\u00e9r\u00e9e, comme un explosif qui n’utilise pas l’oxyg\u00e8ne de l’air, est \u00e0 quelques m\u00e9gajoules (TNT<\/a> : 4,18 MJ\/kg)<\/span>12<\/sup><\/a><\/span>. Le dihydrog\u00e8ne<\/a>, le champion toutes cat\u00e9gories parce qu’il n’a pas de neutron \u00ab poids mort \u00bb, lib\u00e8re 120 MJ\/kg, soit l’ordre de grandeur calcul\u00e9 ci-dessus.<\/p>\n

Pour des combustibles \u00ab moyens \u00bb il est donc raisonnable de prendre un ordre de grandeur de 10 MJ\/kg<\/strong>. Une r\u00e8gle qui s’applique m\u00eame \u00e0 l’\u00e9nergie lib\u00e9r\u00e9e (\u00e0 plus basse temp\u00e9rature !) par les aliments, qui est aussi de nature chimique : faites vous-m\u00eame l’exp\u00e9rience de lire le nombre de kJ pour 100 g sur un emballage, vous verrez…<\/p>\n

L’\u00e9nergie nucl\u00e9aire<\/h3>\n

L\u00e0 on entre dans un tout autre domaine ; l’\u00e9nergie lib\u00e9r\u00e9e dans les r\u00e9actions nucl\u00e9aires (fission ou fusion) provient d’une modification des liaisons entre les \u00e9l\u00e9ments du noyau (les nucl\u00e9ons<\/em>, qui comprennent les protons et les neutrons). Leur \u00e9nergie est beaucoup<\/em> plus grande que celle des liaisons chimiques : pour simplifier, environ un million de fois. Mais comme la masse provient toujours des nucl\u00e9ons, il en d\u00e9coule une autre r\u00e8gle tr\u00e8s simple : pour une m\u00eame masse, l’\u00e9nergie nucl\u00e9aire peut \u00eatre jusqu’\u00e0 un million de fois plus importante que l’\u00e9nergie chimique. En pratique toutefois, ce chiffre th\u00e9orique n’est pas atteint, tout dispositif pratique (r\u00e9acteur ou bombe nucl\u00e9aire) comportant une grande partie de mati\u00e8re qui ne lib\u00e8re pas d’\u00e9nergie. Ainsi, en prenant les chiffres publics des masses et \u00e9nergies lib\u00e9r\u00e9es par des bombes nucl\u00e9aires r\u00e9elles, on arrive plut\u00f4t au moins<\/em><\/span>13<\/sup><\/a><\/span> \u00e0 $10^{11}$ J\/kg soit 10 000 fois plus<\/strong> que les $10^{7}$ J\/kg du combustible \u00ab moyen \u00bb. Mais m\u00eame si c’est 100 fois moins que la limite th\u00e9orique, cela reste tr\u00e8s<\/em> sup\u00e9rieur aux possibilit\u00e9s de l’\u00e9nergie chimique, et suffit \u00e0 notre raisonnement.<\/p>\n

R\u00e9sultat du match<\/h3>\n

Notre estimation de la chaleur lib\u00e9r\u00e9e par le m\u00e9ga-g\u00e9n\u00e9rateur de vapeur Ground Zero<\/em> \u00e9tant de $10^{15}$ J, avec les limites respectives des \u00e9nergies chimique et nucl\u00e9aire on peut estimer les masses n\u00e9cessaires pour lib\u00e9rer cette \u00e9nergie :<\/p>\n