Certaines unités n’appartiennent à aucun système de mesure. Elles ne sont ni SI, ni impériales, ni usuelles américaines. Elles ont été créées pour un domaine, elles conviennent aux grandeurs de ce domaine, et elles ont survécu parce que les remplacer rendrait les nombres quotidiens plus difficiles à lire, non plus faciles. La calorie, le wattheure et l’électronvolt en sont les exemples les plus nets, et tous trois mesurent l’énergie.
L’énergie attire ces unités parce qu’elle couvre une étendue extraordinaire. La rupture d’une seule liaison chimique met en jeu environ 10-19 joule. La consommation électrique quotidienne d’un foyer en met en jeu environ 107. Cela fait vingt-six ordres de grandeur entre deux quantités ordinaires. Le joule se place mal aux deux extrémités, si bien que chaque domaine a adopté une unité taillée à sa mesure.
Un système de mesure est plus qu’un ensemble d’unités. Il comporte des unités de base, des règles pour en dériver les autres, et généralement une série de préfixes. Le SI possède les trois. Les unités de cette page n’en possèdent aucune. Ce sont des définitions isolées, chacune fixée par une conversion vers le joule, sans relation structurelle entre elles.
Le Bureau international des poids et mesures reconnaît plusieurs unités de ce genre pour un usage conjoint avec le SI. Certaines, comme le litre, l’heure et la tonne, sont admises parce qu’elles sont trop ancrées pour être supprimées. D’autres, comme l’électronvolt et l’unité astronomique, le sont parce que leurs valeurs sont déterminées expérimentalement et véritablement utiles. Les unités présentées ici relèvent des deux catégories, et aucune n’est déconseillée.
La calorie a été définie comme l’énergie nécessaire pour élever d’un degré Celsius la température d’un gramme d’eau. Cette quantité dépend légèrement de la température de départ, ce qui explique que plusieurs calories aux valeurs marginalement différentes aient été définies au fil du temps. La calorie thermochimique, fixée à exactement 4,184 joules, est celle en usage général aujourd’hui.
La confusion autour de cette unité tient entièrement à l’échelle. La calorie imprimée sur les emballages alimentaires n’est pas la calorie de la physique. C’est la kilocalorie, mille fois plus grande, notée avec un C majuscule ou sous la forme kcal pour marquer la différence. Une barre chocolatée annoncée à 250 calories contient 250 kilocalories, soit 250 000 calories de physique, ou environ 1,05 million de joules. Les étiquettes nutritionnelles de la plupart des pays impriment désormais les kilojoules à côté, ce qui lève l’ambiguïté.
L’unité subsiste en nutrition parce que les nombres tombent bien. L’apport énergétique quotidien s’établit autour de 2000 à 2500 kilocalories, fourchette facile à retenir. Exprimés en joules, les mêmes chiffres atteindraient huit à dix millions, ce qui ne dit rien à qui compare deux produits dans un magasin.
Le wattheure est l’énergie fournie par une puissance d’un watt maintenue pendant une heure. Un watt valant un joule par seconde et une heure 3600 secondes, un wattheure vaut exactement 3600 joules et un kilowattheure exactement 3,6 mégajoules.
Il vaut la peine d’être précis sur la distinction dont dépend cette unité, car c’est la paire la plus souvent confondue de toute la métrologie. La puissance est un débit, la vitesse à laquelle l’énergie est consommée. L’énergie est la quantité totale. Un radiateur de 2000 watts consomme de l’énergie à un rythme fixe ; utilisé trois heures, il consomme 6 kilowattheures. L’électricité est facturée sur l’énergie et non sur la puissance, ce qui explique que le compteur affiche des kilowattheures.
L’unité domine le secteur de l’énergie à toutes les échelles. Les factures domestiques sont en kilowattheures. Les batteries de voitures électriques se notent en kilowattheures, généralement de 40 à 100. La production des centrales se mesure en mégawattheures, et la consommation nationale en térawattheures. Le joule ne sert jamais pour aucune de ces grandeurs, bien qu’il soit l’unité SI, parce que les nombres deviendraient ingérables : une année d’électricité domestique représente environ 12 gigajoules, ce que presque personne ne sait interpréter.
| Grandeur | Valeur typique | En joules |
|---|---|---|
| Ampoule LED, une heure | 0,01 kWh | 36 000 J |
| Bouilloire, une ébullition | 0,1 kWh | 360 000 J |
| Foyer, une journée | 10 kWh | 36 000 000 J |
| Voiture électrique, charge complète | 60 kWh | 216 000 000 J |
L’électronvolt est l’énergie acquise par un électron traversant une différence de potentiel d’un volt. Depuis la refonte du SI de 2019, il est exact : 1,602176634 × 10-19 joule, la charge élémentaire étant désormais une constante définie.
C’est l’unité de travail de la physique des particules et de la physique atomique. Les liaisons chimiques valent quelques électronvolts. Les photons de la lumière visible vont d’environ 1,6 à 3,3 électronvolts. Les rayons X se comptent en milliers, notés keV. Les transitions nucléaires en millions, notées MeV. Les accélérateurs de particules atteignent milliards et billions, notés GeV et TeV, et le Grand collisionneur de hadrons fonctionne à 13 TeV. Employer le joule à cette échelle imposerait de traîner un exposant moins dix-neuf dans chaque calcul.
L’électronvolt remplit une seconde fonction. Par l’équivalence masse-énergie, les physiciens expriment les masses des particules en électronvolts divisés par le carré de la vitesse de la lumière, et omettent d’ordinaire le diviseur, sous-entendu. Un électron vaut 511 keV, un proton 938 MeV et le boson de Higgs environ 125 GeV. Masses et énergies deviennent ainsi directement comparables, ce qui importe quand on convertit couramment les unes en les autres.
L’énergie n’est pas la seule grandeur à posséder des unités hors système. Plusieurs autres sont formellement admises avec le SI sans en faire partie, et beaucoup figurent ailleurs sur ce site.
Le temps est la plus grande exception. La minute, l’heure et le jour ne sont pas des unités SI, et ils ne sont pas décimaux ; aucune proposition sérieuse de les remplacer n’a pourtant abouti. La seconde est l’unité SI de base, et tout ce qui la dépasse est hérité de la numération sexagésimale babylonienne. L’angle fonctionne de même : le degré, la minute et la seconde d’arc divisent le cercle en 360 plutôt qu’en une puissance de dix, alors que l’unité SI est le radian.
Le volume et la masse ont chacun un intrus admis. Le litre vaut exactement un décimètre cube, conservé parce que le mètre cube est trop grand pour les quantités domestiques et le centimètre cube trop petit. La tonne vaut exactement 1000 kilogrammes, conservée pour la même raison à l’autre bout de l’échelle. Les surfaces agricoles ont l’hectare, 10 000 mètres carrés, qui subsiste parce que le kilomètre carré est trop grossier pour un champ et le mètre carré bien trop fin.
La pression en compte deux. Le bar vaut exactement 100 000 pascals, et l’atmosphère exactement 101 325. Tous deux sont commodes parce qu’ils avoisinent la pression atmosphérique ordinaire : une valeur proche de un devient immédiatement parlante, ce que 101 325 pascals n’est pas.
| Unité | Grandeur | Valeur SI exacte | Convertir |
|---|---|---|---|
| Litre | Volume | 0,001 m³ | litres en mètres cubes |
| Tonne | Masse | 1000 kg | tonnes en kilogrammes |
| Heure | Temps | 3600 s | heures en secondes |
| Degré | Angle | π/180 rad | degrés en radians |
| Hectare | Surface | 10 000 m² | hectares en mètres carrés |
| Bar | Pression | 100 000 Pa | bars en pascals |
Le fil commun est la lisibilité. Chaque unité a été choisie pour que les grandeurs de son domaine sortent en nombres compris entre un et quelques milliers environ. C’est dans cette plage que la comparaison humaine fonctionne le mieux. Une unité qui force chaque chiffre en notation scientifique rend un domaine plus difficile à penser, quels que soient ses mérites formels.
L’inertie joue aussi, et il ne s’agit pas de simple entêtement. Des décennies de mesures publiées, d’étalonnages d’appareils, de systèmes de facturation et de réglementations sont exprimées dans ces unités. En changer invaliderait la lisibilité de tout l’existant sans aucun gain de précision, puisque les conversions sont exactes.
Ce qui a disparu, c’est l’ambiguïté. Chaque unité présentée ici est désormais définie comme un nombre exact de joules : rien ne se perd en passant de l’une à l’autre. Il n’en a pas toujours été ainsi. La calorie en particulier a connu plusieurs définitions concurrentes jusque bien avant dans le XXe siècle, et les sources anciennes demandent de la prudence.
| Unité | Symbole | Valeur en joules | Convertir |
|---|---|---|---|
| Électronvolt | eV | 1,602176634 × 10-19 | électronvolts en joules |
| Calorie | cal | 4,184 | calories en joules |
| Wattheure | Wh | 3600 | wattheures en joules |
| Kilocalorie | kcal | 4184 | kilocalories en joules |
| Kilowattheure | kWh | 3 600 000 | kilowattheures en joules |
Les valeurs historiques exprimées dans ces unités demandent de l’attention, car la calorie a été définie plusieurs fois. La calorie thermochimique de 4,184 joules exactement est la norme actuelle, mais la calorie des tables internationales de la vapeur vaut 4,1868 joules, la calorie à 15 degrés environ 4,1855 et la calorie moyenne environ 4,190. L’écart reste inférieur à un quart de pour cent, négligeable en nutrition et significatif en thermochimie fine. Une source publiée avant 1950 environ mérite qu’on vérifie de quelle calorie elle parle.
L’électronvolt a l’histoire inverse. Sa valeur dépendait des mesures de la charge élémentaire : elle s’est donc affinée régulièrement et a bougé sur ses derniers chiffres à chaque révision des constantes fondamentales. Depuis 2019, elle est exacte et ne changera plus. Les articles anciens citant des énergies à de nombreux chiffres significatifs peuvent différer légèrement des valeurs actuelles pour cette raison.
Le wattheure n’a jamais été ambigu, car il dérive de la seconde et du joule par définition et non par expérience. Un kilowattheure relevé en 1920 signifie exactement ce qu’il signifie aujourd’hui.
Chaque unité présentée ici étant définie exactement en joules, la conversion entre deux d’entre elles relève de l’arithmétique exacte. Le joule est le pont naturel : convertir vers lui, puis en repartir. Un kilowattheure vaut 860,4 kilocalories. Une kilocalorie vaut 1,163 wattheure. L’électronvolt est trop petit pour se comparer utilement à l’un ou à l’autre, et c’est précisément pourquoi ces trois unités existent.
Vous pouvez parcourir toutes les unités d’énergie de ce site depuis l’archive des unités d’énergie, ou voir leur rapport au joule et à ses préfixes dans le système SI.