Une quantité, sept noms
L'énergie est une seule et même quantité physique, mais presque aucun secteur ne la mesure dans l'unité SI. La physique utilise le joule ; la nutrition utilise la Calorie ; le chauffage et la climatisation aux États-Unis utilisent le BTU ; les factures d'électricité utilisent le kilowatt-heure ; les factures de gaz naturel utilisent le therm, ou de plus en plus le kWh. Aucune de ces unités n'est incorrecte, et la conversion entre elles est exacte partout où une unité a un rapport défini au joule — ce qui n'est pas le cas de toutes, car « calorie » seule cache trois définitions différentes.
Le joule : l'unité SI que personne ne facture
Le joule (J) est l'unité SI de l'énergie, défini comme une force d'un newton appliquée sur un mètre, ou de manière équivalente une puissance d'un watt soutenue pendant une seconde. C'est l'unité à laquelle tous les autres éléments de cet article se ramènent, et c'est l'unité qu'aucune facture ou étiquette alimentaire destinée aux consommateurs n'utilise directement, car le joule est petit : l'apport énergétique alimentaire quotidien d'un adulte type, environ 2 000 Calories, représente environ 8,4 millions de joules.
Le problème de la calorie : un mot, trois définitions
« Calorie » est vraiment une famille d'unités, toutes définies à l'origine comme étant environ l'énergie nécessaire pour augmenter la température d'un gramme d'eau d'un degré Celsius, mais normalisées à trois valeurs exactes légèrement différentes car la capacité thermique de l'eau varie elle-même légèrement avec la température et la pression :
| Définition | Valeur exacte | Où c'est utilisé |
|---|---|---|
| Calorie thermochimique (calth) | 4,184 J exactement | Chimie et thermodynamique ; la base de la Calorie alimentaire |
| Calorie de la table internationale (calIT) | 4,1868 J exactement | Tables de vapeur, références d'ingénierie pour les transferts thermiques |
| Calorie à 15°C | ≈4,1855 J (mesurée, non une valeur exacte définie) | Littérature ancienne de physique et de calorimétrie |
L'écart entre la plus grande et la plus petite des trois est faible, environ 0,03 %, ce qui explique pourquoi l'usage courant s'en tire en traitant « calorie » comme une seule et même chose. Ce n'est pas le cas : la calorie d'un chimiste et la calorie de la table de vapeur d'un ingénieur sont deux constantes différentes, indépendamment fixées, qui se trouvent être extrêmement proches.
La Calorie alimentaire : un kilocalorie sous un autre nom
La « Calorie » sur une étiquette nutritionnelle (conventionnellement en majuscule pour la distinguer, bien que l'étiquette ne s'en soucie guère) représente 1 000 calories thermochimiques, un kilocalorie : 1 Cal = 1 kcal = 4 184 J exactement. La science de la nutrition a adopté la base thermochimique, non celle de la table internationale, car la mesure de l'énergie alimentaire est issue de la calorimétrie et de la chimie des XIXe et début du XXe siècle plutôt que de l'ingénierie de la vapeur. Une étiquette alimentaire affichant « 250 Calories » représente donc 250 × 4 184 J = 1 046 000 J, presque exactement 1,05 MJ.
Le BTU : le jumeau impérial de la calorie, avec la même division
L'unité thermique britannique hérite de la même division que la calorie, car elle a été définie de la même façon à l'origine, comme étant approximativement l'énergie nécessaire pour augmenter la température d'une livre d'eau d'un degré Fahrenheit, et normalisée à des valeurs exactes légèrement différentes selon le point de référence de température de l'eau et le chemin de conversion SI utilisé :
| Définition | Valeur exacte | Où c'est utilisé |
|---|---|---|
| BTU (table internationale, BtuIT) | 1 055,05585262 J exactement | Évaluations HVAC, la plupart des références d'ingénierie américaine moderne |
| BTU (thermochimique) | 1 054,35026… J | Références de chimie et de thermodynamique |
| BTU (59°F) | 1 054,804 J | Facturation du gaz naturel aux États-Unis, via le therm américain (ci-dessous) |
Un climatiseur américain évalué à « 12 000 BTU » (une unité « 1 ton », dans l'utilisation distincte et sans rapport du HVAC du terme « ton » pour la capacité de refroidissement) signifie 12 000 BtuIT par heure : 12 000 × 1 055,05585262 J = 12 660 670 J par heure, soit 3,517 kW — une conversion qui vaut la peine d'être effectuée une fois, car l'équipement HVAC dans le monde est de plus en plus évalué en BTU/h et en watts côte à côte.
Le kWh : le seul qui soit un multiple exact du SI
Le kilowatt-heure n'a besoin d'aucune définition distincte : c'est 1 000 watts soutenus pendant 3 600 secondes, donc 1 kWh = 3 600 000 J = 3,6 MJ exactement, sans arrondi ni ambiguïté historique nulle part dans la chaîne. Il survit sur les factures d'électricité non pas parce que c'est le choix le plus pur du SI — le joule serait celui-ci — mais parce qu'un joule est une unité bien trop petite pour la facturation domestique : une maison américaine type consomme de l'ordre de 30 kWh par jour, ce qui représente 108 000 000 J, un nombre encombrant à imprimer sur une facture.
Le therm : les versions américaine et britannique diffèrent, discrètement
Un therm est défini comme 100 000 BTU, et hérite de la division du BTU sans que la plupart des utilisateurs ne s'en aperçoivent. Le therm américain, utilisé par le DOE et les services gaziers, est défini comme 100 000 × Btu(59°F) = 105 480 400 J exactement. Le therm britannique, fixé dans la loi avant que la facturation du gaz britannique bascule vers le kWh, a été défini comme 100 000 × BtuIT ≈ 105 505 600 J. Les deux therms diffèrent d'environ 0,02 %, trivial pour toute fin pratique, mais c'est le même schéma observé dans les unités usuelles de ce site : deux autorités définissant « la même » unité à partir de deux constantes de base légèrement différentes, produisant deux nombres assez proches pour passer inaperçus et assez éloignés pour ne pas être vraiment égaux. Les factures de gaz domestique britanniques se sont largement détournées des therms vers le kWh à partir des années 1990, suivant les compteurs de gaz métriques ; l'industrie gazière américaine facture encore en therms aujourd'hui.
Les sept, convertis en joules
| Unité | Valeur en joules | Utilisation habituelle |
|---|---|---|
| Joule (J) | 1 (base SI) | Physique, calculs d'ingénierie |
| Calorie thermochimique | 4,184 | Chimie |
| Calorie alimentaire (kcal) | 4 184 | Étiquettes nutritionnelles |
| BTU (table internationale) | 1 055,05585262 | Évaluations HVAC américaines |
| Kilowatt-heure (kWh) | 3 600 000 | Factures d'électricité dans le monde |
| Therm américain | 105 480 400 | Facturation du gaz naturel américain |
| Therm britannique | ≈105 505 600 | Facturation historique du gaz britannique (avant kWh) |
Pourquoi chaque secteur a conservé sa propre unité
Aucune de ces unités ne survit par accident. Les chimistes ont conservé la calorie parce que les données sur l'énergie de réaction remontant à plus d'un siècle y sont tabulées. Le HVAC américain a conservé le BTU car les cotes d'équipement, les tableaux de dimensionnement des conduits et les codes du bâtiment y sont tous rédigés, et un changement signifierait recertifier des décennies de documentation matérielle, pas seulement renommer une feuille de spécifications. Les services d'utilité ont conservé le kWh parce que les compteurs étaient déjà construits pour lire directement les watt-heures, à bas coût, des décennies avant que facturer en « mégajoules » n'aurait eu de sens pour un client. La fragmentation des unités dans l'énergie est une fragmentation de la base installée et de la métrologie légale, non une fragmentation de la physique — le joule en dessous de chacun de ces nombres est le même joule.