Bien qu’il y ait surabondance d’énergie du rayonnement solaire à notre disposition, il y a d’importantes limitations à l’énergie qui peut être utilisée pour alimenter toutes les formes de vie. Les lois de la thermodynamique expliquent ces limitations. La première loi de la thermodynamique explique que l’énergie peut se conserver (en passant d’une forme d’énergie à une autre), mais ne peut pas être créée ou détruite. Cela signifie que la quantité totale d’énergie qui est dans un système isolé (tel qu’un moteur ou un générateur) reste constante (se conserve) avec le temps.

Cependant, l’énergie utile totale disponible à la sortie d’un système n’est jamais égale à l’énergie totale à l’entrée. Ceci parce qu’une part de l’énergie à l’entrée se perd en se dissipant en chaleur au cours de la transformation. Par exemple, quand l’énergie est transformée dans un moteur, une part de l’énergie sera absorbée par la carcasse, faisant vibrer les molécules qui la constituent, et rayonnant cette énergie à l’extérieur comme chaleur dissipée. Les frottements sont un autre exemple ; une partie de l’énergie introduite dans un moteur sera perdue en frottements, comme lorsqu’un piston actionne une roue. Il y aura toujours de l’énergie dissipée à l’extérieur et de l’énergie perdue en raison des frottements.

Par conséquent, en prenant pour base les lois qui gouvernent la conservation de l’énergie, nous pouvons résumer le bilan en énergie d’un moteur dans l’équation suivante :

Energie à l’entrée = énergie à la sortie + énergie dissipée en chaleur à l’extérieur

Il n’est donc jamais possible d’obtenir autant d’énergie à la sortie qu’on a introduit d’énergie à l’entrée. On définit le rendement d’un moteur comme le rapport entre l’énergie à la sortie et l’énergie à l’entrée, ou :

Rendement = Energie à la sortie/Energie à l’entrée

Le fait qu’aucune transformation réelle ne puisse avoir un rendement intégral s’explique par la Deuxième loi de la thermodynamique, qui montre comment le processus de transformation utilisé dans un système isolé transforme une partie de l’énergie entrée en énergie de mauvaise qualité inutilisable.

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Dans la section Energie et Action vous serez invité à faire un inventaire des lampes à incandescence dans votre maison ou votre école et à établir un plan de remplacement.

A travers les conversions de l’énergie d’une forme dans une autre (comme du carburant à l’énergie cinétique d’une voiture), l’énergie utile est “perdue” en chaleur. Par exemple, seulement 15% de l’énergie contenue dans le carburant employé pour faire rouler une voiture est réellement utilisée pour la faire rouler, tandis que 85% de l’énergie est convertie en chaleur qui se dissipe dans l’air environnant. Cette énergie dissipée ne peut être captée. Par conséquent, elle est inutilisable.

Un autre exemple est la lampe à incandescence, qui convertit en lumière seulement 5 % de l’énergie qu’elle reçoit. Les 95 % restants sont perdus en chaleur dissipée. En fait, la plupart des processus de transformation de l’énergie ont des rendements très bas, y compris la photosynthèse, qui est le processus par lequel les plantes convertissent l’énergie solaire en énergie chimique, et qui fournit l’énergie alimentaire qui est à la base de la vie.

La photosynthèse et le flux d’énergie solaire vers les organismes vivants

Comme indiqué au début de cette section, la vie sur la Terre est alimentée essentiellement par l’énergie du rayonnement solaire. Les plantes utilisent l’énergie lumineuse du soleil (photons) dans un processus appelé photosynthèse pour produire leur propre “nourriture”. Le terme photosynthèse vient des mots grecs photo, qui signifie “lumière” et synthesis, qui signifie « mettre ensemble ».

Figure 2 : Les cyanobactéries, souvent appelées algues bleues, sont d’anciens organismes unicellulaires procaryotes, qui sont les ancêtres photosynthétiques des plantes modernes. Elles ont été les premiers organismes photosynthétiques à produire de l’oxygène, oxygène qui a changé de façon spectaculaire la composition de l’atmosphère terrestre permettant l’évolution des métabolismes aérobies hautement efficients. 1

Les premiers organismes photosynthétiques sur la Terre sont venus à l’existence il y a environ 3,4 milliards d’années. Il est tout à fait impressionnant de considérer le fait que le système métabolique utilisé par la photosynthèse s’est développé moins d’un milliard d’années après la formation de la Terre, il y a environ 4,5 milliards d’années. Ce système métabolique est une série complexe de réactions biochimiques dans les cellules de la plante, qui permettent à la plante d’utiliser le rayonnement solaire comme source d’énergie pour convertir le dioxyde de carbone en sucre. Par conséquent, l’énergie à l’entrée de la photosynthèse est le rayonnement solaire, et les énergies à la sortie sont de la chaleur (perdue dans l’air extérieur) et du sucre, qui est une forme d’énergie chimique que les tissus de la plante emploient pour grandir et se reproduire.

A la différence des mécanismes photosynthétiques utilisés par les plantes d’aujourd’hui, ces organismes primordiaux n’absorbaient pas la lumière visible du soleil. Ces organismes absorbaient plutôt une fraction différente du spectre solaire (voir figure 11) appelée rayons infrarouges. Ils ne produisaient pas d’oxygène comme sous-produit comme les plantes d’aujourd’hui, mais plutôt des composés contenant du soufre.

C’est moins d’un autre milliard d’années après (il y a environ 2,7 milliards d’années) que les cyanobactéries unicellulaires (Figure 2) deviendront les premiers organismes photosynthétiques à absorber la lumière de la portion visible du spectre solaire, et à produire de l’oxygène. Au cours des derniers 2,7 milliards d’années, des milliers de formes différentes de minuscules organismes unicellulaires comparables à des plantes, appelés algues, ont évolué, transformant l’appareil photosynthétique au cours du processus de l’évolution pour donner les plantes vasculaires modernes, beaucoup plus grandes et plus complexes.

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On décrira en détails le processus de photosynthèse au chapitre 4.

On peut observer la première loi de la thermodynamique à l’œuvre dans le processus de photosynthèse. L’énergie solaire alimente les plantes photosynthétiques et les algues, qui à leur tour fonctionnent comme une base énergétique qui supporte en totalité les réseaux alimentaires de la vie sur la Terre. Cette base énergétique prend naissance quand l’énergie du soleil est convertie en sucres, amidons et lipides qui seront alors consommés comme nourriture par les animaux et les humains. La deuxième loi de la thermodynamique est aussi à l’œuvre ici. Quand l’énergie est transférée à travers la chaine alimentaire, elle passe d’une forme chimique dans une autre. Dans ce processus, la plus grande part de l’énergie alimentaire est perdue comme chaleur métabolique.

Le processus de photosynthèse implique des réactions biochimiques complexes que se divisent en deux parties, les réactions dépendant de la lumière et les réactions indépendantes de la lumière, ces dernières étant connues sous le nom de Cycle de Calvin (figure 3). Les deux parties des réactions se résument dans l’équation globale de la photosynthèse :

6CO2 + 12H2O + Energie solaire ⇒ C6H12O6 + 6O2 + 6H2O + Chaleur

Six molécules de dioxyde de carbone atmosphérique plus douze molécules d’eau liquide du sol plus l’énergie lumineuse du soleil sont métabolisées à travers le processus de photosynthèse à l’intérieur des chloroplastes de la plante pour donner une molécule de glucose, six molécules d’oxygène gazeux et six molécules d’eau. De la chaleur se perd comme sous-produit de la réaction globale de photosynthèse.

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En savoir plus sur le Cycle de Calvine.

Dans les réactions de photosynthèse dépendant de la lumière, le rayonnement solaire de la portion visible du spectre solaire voyage du soleil jusqu’aux chloroplastes. Un flux d’électrons se produit lorsque l’énergie est absorbée par la chlorophylle. Les électrons sont retirés des molécules d’eau pour passer dans un système de transport d’électrons, où ils facilitent la synthèse d’une molécule d’ATP (adénosine triphosphate, énergie cellulaire) et de NADPH (nicotinamide adénine dinucléotide phosphate, source d’électrons). L’ATP et le NADPH sont les réactifs nécessaires pour amorcer le cycle de Calvin.

Calvin cycle
Figure 3 : Schéma de la photosynthèse avec les réactions dépendant de la lumière, et le cycle de Calvin, qui se passent à l’intérieur du chloroplaste dans la cellule de la plante. Notez comment l’énergie sous forme d’ATP en provenance des réactions dépendant de la lumière sert à alimenter le cycle de Calvin, et comment les agents réducteurs (NADP et ADP) issus du cycle de Calvin servent à faciliter la transformation de l’énergie solaire en ATP à l’intérieur des stroma du chloroplaste. 2

L’objectif du cycle de Calvin est de produire la molécule familière de sucre à 6 atomes de carbone appelée glucose (C6H12O6) ce qu’il fait en tournant 6 fois dans le cycle, chaque tour apportant un nouvel atome de carbone sous forme de CO2 pour construire la molécule de glucose à 6 carbones. 

Questions à considerer

Depuis l’antiquité, les hommes ont cherché à inventer une machine qui continuerait indéfiniment sans aucune source extérieure d’énergie, dite machine à mouvement perpétuel. Pouvez-vous expliquer, en accord avec les lois de la thermodynamique, pourquoi une telle invention est impossible ? Si vous avez besoin d’assistance, cliquez à droite site internet.

Les lois de la thermodynamique sont essentielles pour comprendre l’énergie. On a souvent plus de difficultés à comprendre la deuxième loi que la première. Pour vérifier votre compréhension de la deuxième loi, essayez de l’expliquer avec ces phénomènes :

  • Des marmites chaudes qui refroidissent,
  • L’eau qui tombe dans une chute d’eau,
  • Le souffle d’air dans l’atmosphère quand un pneu de vélo est percé.