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 UN CONCENTRE D'ENERGIE


Toute machine capable de produire un travail comme un moteur, par exemple, le fait aux dépens d'une source d'énergie. Lorsque nous faisons réaliser nos activités domestiques par des robots (lave-linge, lave-vaisselle etc.) nous constatons que la facture d'EDF augmente notablement. Les êtres vivants ne font pas exception à cette règle et si nous faisons nous-mêmes la lessive ou la vaisselle à la main, ce sera aux dépens d'une source d'énergie biologique obtenue dans l'alimentation et consommée par les muscles.

Chacun sait maintenant qu'une partie de nos aliments représente l'énergie nécessaire au fonctionnement de notre organisme. Mais cette idée était rien moins qu'évidente et a pris de longues années de recherches pour être démontrée. Lavoisier (1743-1794) fut un des premiers à pressentir l'équivalence entre la combustion et la respiration qui produisent toutes deux de la chaleur et du CO2. Il fut également le premier avec Laplace (1749-1827) à entreprendre la mesure de la chaleur produite par les combustions. Sadi Carnot, en se fondant sur l'étude des machines à vapeur, put établir en 1824 une corrélation entre le travail maximum produit par une machine et la chaleur utilisée. De même, Marc Seguin (1786-1875) mesura en 1839 la proportion entre la chaleur utilisée et le travail produit. Cependant, ces études restaient limitées au domaine des machines thermiques.

C'est le médecin allemand Robert Meyer (1814-1878) qui eut l'idée en 1840 que le même type de relation entre chaleur et travail pouvait s'appliquer aux êtres vivants : observant à Java que le sang veineux des marins était plus rouge qu'en Europe et devait donc contenir plus d'oxygène, il en déduisit que la combustion des aliments par l'oxygène, processus fournissant la chaleur au corps, devait être moins intense sous un climat chaud. Il généralisa plus tard cette idée aux différentes formes d'énergie mises en jeu chez les êtres vivants et fut donc le fondateur de la bioénergétique. Il montra ainsi que, lors de la photosynthèse, les végétaux absorbent de l'énergie lumineuse et la convertissent en chaleur et en énergie chimique contenue dans les molécules organiques qu'ils fabriquent. De façon similaire, les animaux consomment d'autres êtres vivants dont les molécules organiques (d'ailleurs issues directement ou indirectement des végétaux qui font la photosynthèse) contiennent de l'énergie chimique. C'est cette énergie qui est transformée en mouvements, en chaleur, parfois en lumière (lucioles) voire en électricité (poissons électriques). Ainsi, les êtres vivants peuvent être considérés comme des transformateurs d'énergie à l'image des machines et ils obéissent aux lois de la thermodynamique. De plus, en dernière analyse, toute forme d'énergie utilisée par un être vivant prend son origine dans celle du soleil.

Toutefois, la manière dont les êtres vivants utilisent l'énergie pour réaliser leurs diverses activités n'est pas identique à celle des machines thermiques. Dans ces dernières, l'énergie chimique est d'abord transformée en chaleur (celle de la vapeur dans une chaudière, celle de l'explosion des gaz dans un cylindre de moteur de voiture) puis convertie en mouvement, c'est à dire en travail. Au contraire, les cellules vivantes procèdent par des transformations chimiques discrètes qui s'effectuent à température pratiquement constante. De plus, l'énergie chimique issue de ces transformations est toujours convertie directement dans la forme d'énergie utile sans passer par un intermédiaire thermique contrairement à ce qui se passe dans un moteur.

Chez les végétaux chlorophylliens, au cours de ces réactions très complexes, l'énergie lumineuse est emmagasinée petit à petit sous forme de liaisons chimiques dans des molécules organiques (molécules à squelette carboné comportant également oxygène et hydrogène), le CO2 atmosphérique et l'eau servant de matières premières. Ces molécules organiques, fabriquées à partir de substances minérales initialement dépourvues d'énergie potentielle, constituent alors une réserve d'énergie chimique. C'est cette réserve qui alimente les animaux et qui permet également aux cellules des végétaux de réaliser leurs fonctions. Dans les cellules, cette énergie est extraite des liaisons chimiques contenues dans les molécules organiques de façon très progressive, en un grand nombre d'étapes. Chaque étape est bien sûr catalysée par une enzyme particulière. Une bonne partie de l'énergie potentielle est perdue sous forme de chaleur tandis que le reste permet la synthèse de nouvelles molécules, le mouvement et les diverses activités évoquées ci-dessus. Dans les cellules vivantes, c'est donc de l'énergie chimique qui constitue le carburant et qui est transformée directement en chaleur, lumière, mouvement etc.

Le plus étonnant dans les transformations énergétiques qui se produisent chez les êtres vivants est que l'énergie extraite des molécules organiques se retrouve en dernier lieu dans une seule et même molécule, universelle : toutes ces réactions aboutissent à la fabrication de cette petite molécule, l'ATP (adénosine triphosphate) qualifiée pour cette raison par A. Szent-Györgyi de "petite monnaie des échanges énergétiques". Dans cette optique, les grosses molécules de sucre ou de graisse servent de réserve énergétique, de capital, l'ATP étant utilisé pour les transactions quotidiennes. Au fur et à mesure des besoins, les réserves sont converties en "petites coupures", c'est à dire en ATP. La progression des recherches en biochimie montra en effet que quelle que soit la forme prise par le travail biologique (contractions des muscles, synthèses, transmission des messages nerveux, électricité, lumière, etc.) l'énergie nécessaire était toujours fournie par cette molécule lors d'une transformation chimique assez simple appelée hydrolyse (rupture de la molécule d'ATP par une molécule d'eau grâce à une enzyme particulière) permettant de libérer l'énergie utilisable. Encore un argument de poids au moulin de l'évolution qui affirme que tous les êtres vivants ont une origine commune !

EXPERIENCE

MESURER LA QUANTITE D'ENERGIE CONTENUE DANS LA MATIERE ORGANIQUE

Principes

Les molécules organiques contiennent donc de l'énergie chimique susceptible d'être libérée. Il est possible de mesurer cette énergie par un procédé simple issu de la méthode imaginée par Lavoisier.
Lorsque l'on brûle de la matière organique, son énergie est libérée sous forme de chaleur. En mesurant la quantité de chaleur libérée lors de la combustion, on peut déterminer la quantité d'énergie présente dans la matière organique car toutes les formes d'énergie sont équivalentes. Sachant qu'une quantité d'énergie égale à 4,18 J (J = Joule, unité d'énergie) permet d'augmenter la température d'un gramme d'eau de 1°C, un calcul simple permettra de déduire l'énergie potentielle d'une masse connue de matière organique.

Mise en œuvre

Vider une canette de boisson en aluminium (bière, coca etc.) de son contenu et la rincer soigneusement. La remplir avec 250 mL d'eau (1/4 de L) mesurés avec un verre doseur. La suspendre à une potence avec un fil passé dans l'anneau d'ouverture en laissant en dessous un espace de 2 à 3 cm. Placer un thermomètre dans l'eau de façon à ce que le réservoir du thermomètre se trouve à peu près au milieu de l'eau en le bloquant avec un peu de ruban adhésif. Mesurer 0,5 mL d'huile avec une seringue (seringue de 1 mL en vente en pharmacie) et transférer l'huile dans une petite cuillère dont on tordra le manche pour qu'elle tienne horizontalement. Faire une petite mèche avec un bout de ficelle ou en roulant entre ses doigts un morceau de coton et l'immerger dans l'huile pour bien l'imprégner. Laisser dépasser la mèche de la cuillère. Lire la température initiale (Ti) sur le thermomètre, enflammer la mèche et placer la cuillère avec la mèche sous la boîte.

Laisser brûler jusqu'à la fin et lire la température finale (Tf). La quantité d'énergie en Joule cédée par l'huile aux 250 mL d'eau de la boîte est :

Q = 4,18 x (Tf-Ti) x 250. Elle est de l'ordre de 12 kJ. Notons que cette quantité d'énergie contenue dans moins d'un demi gramme d'huile permet quand même d'assurer 1 minute de marche à une personne de 70 kg !

Comme on a utilisé 0,5 mL d'huile (0,45 g) la quantité d'énergie dans 100 g d'huile est :

Q/0,45 x 100, de l'ordre de 2650 kJ ce qui est le quart de la dépense énergétique quotidienne d'un travailleur sédentaire. Toutefois, dans l'organisme, une partie non négligeable (autour de 50 %) de l'énergie des molécules organiques est perdue sous forme de chaleur lors des transformations chimiques et il n'est donc pas possible de faire correspondre directement l'énergie potentielle à celle effectivement utilisable.

La valeur énergétique de l'huile est indiquée sur l'étiquette : 3760 kJ/100 g. Les pertes dues à la rusticité de ce calorimètre sont telles que la valeur trouvée est de l'ordre de 70% de celle donnée par le fabricant.

NB : Il est possible d'améliorer l'efficacité du calorimètre et donc la précision des mesures en entourant la boîte d'une couche de carton recouverte d'une couche de papier d'aluminium. On peut également mesurer l'énergie chimique contenue dans une graine sèche (cacahuète, pois) à condition de peser le résidu restant après combustion.


Amusez-vous bien !

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