Combustion
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La combustion est une réaction chimique exothermique (c’est-à-dire accompagnée d’une production de chaleur et de lumière).
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Triangle du feu
La combustion ne peut se produire que lorsque l'on réunit trois éléments : un combustible, un comburant, une énergie d'activation. On appelle ceci le triangle du feu.
Le combustible peut être
- un gaz (butane, propane, gaz de ville, dihydrogène…),
- un liquide (essence, gasoil, huile, kérosène…)
- un solide (bois, papier, carton, tissu, plastique…).
Ce peut être un mélange de différent corps.
Le comburant est l’autre réactant de la réaction chimique. La plupart du temps, il s’agit de l’air ambiant, et plus particulièrement de l’un de ses composants principaux, le dioxygène. En privant un feu d’air, on l’éteint ; par exemple, si on place une bougie chauffe-plat allumée dans un bocal de confiture et qu’on ferme le bocal, la flamme s’éteint ; à l’inverse, si l’on souffle sur un feu de bois, cela l’active (on apporte plus d’air). Dans certains chalumeaux, on apporte du dioxygène pur pour améliorer la combustion.
Dans certains cas très particulier (souvent explosifs), le comburant et le combustible sont un seul et même corps (par exemple la célèbre nitroglycérine, molécule instable comportant une partie oxydante greffée sur une partie réductrice).
La réaction est déclenchée par une énergie d’activation. La production de chaleur permet à cette réaction de s’auto-entretenir dans la plupart des cas.
L’énergie d’activation est le déclencheur du feu. Il s’agit généralement de chaleur. Par exemple, ce sera l’allumette que l’on frotte, le câble électrique qui chauffe, ou une autre flamme (propagation du feu), étincelle (de l’allume-gaz, de la pierre du briquet ou d’un appareil électrique qui se met en route ou s’arrête). Mais il y a d’autres façons de fournir l’énergie d’activation : électricité, radiation, pression… qui permettront toujours une augmentation de la température.
Approche chimique
La réaction de combustion, comme toutes les réactions, est la rupture des liaisons entre les molécules de deux corps, et la création de nouvelles molécules plus stables chimiquement.
- Exemple : combustion du méthane dans le dioxygène
- CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + Chaleur
- Le dioxyde de carbone CO2 et l’eau H2O sont plus stables que le dioxygène et le méthane.
La combustion est une réaction d'oxydo-réduction, en l’occurrence l’oxydation d’un combustible par un comburant ;
- le combustible est le corps qui est oxydé durant la combustion ; c'est un réducteur, il perd des électrons ;
- le comburant est le corps qui est réduit ; c'est un oxydant, il gagne des électrons.
Certains composés chimiques, appelés catalyseurs, modifient par leur présence la quantité d’énergie nécessaire pour activer la réaction, soit en la réduisant (activateur), soit en l’augmentant (inhibiteur).
Dans le cas des combustibles solides, l’énergie d’activation va permettre de vaporiser ou de pyrolyser le combustible. Les gaz, ainsi produits, vont se mélanger au comburant et donner le mélange combustible. Si l’énergie produite par la combustion est supérieure ou égale à l’énergie d’activation nécessaire, la réaction de combustion s’auto-entretient.
Énergie dégagée et pouvoir calorifique
La quantité d’énergie produite par la combustion est exprimée en joules (J) ; il s'agit de l'enthalpie de réaction. Dans les domaines d'application (fours, brûleurs, lutte contre incendie), on utilise souvent le notion de pouvoir calorifique, qui est l'enthalpie de réaction par unité de masse de combustible, exprimée en général en kilojoule par kilogramme (noté kJ/kg ou kJ·kg-1).
Dans ces applications, l'environnement de combustion contient souvent de l'eau, et les combustions considérées dégagent elles-même souvent de l'eau. Ce paramètre est donc pris en compte de manière spécifique pour l'évaluation du pouvoir calorifique, et l'on définit :
- le pouvoir calorifique supérieur (PCS) : c'est l’énergie résultant de la combustion auquel on ajoute l’énergie que la vapeur d’eau restitue à son environnement en se condensant.
- le pouvoir calorifique inférieur (PCI) :c'est l’énergie résultant de la combustion sans tenir compte de l’énergie consacrée à la vaporisation de l’eau.
La différence entre le PCI et le PCS est la chaleur latente de vaporisation de l’eau, qui vaut à peu-près 2 250 kJ·kg-1 (cette dernière valeur dépend de la pression et de la température).
Vitesse du front de flamme et explosion
La combustion est caractérisée par la vitesse du front de flamme :
- La déflagration : vitesse de quelques centaines de mètres par seconde
- La détonation : vitesse de l’ordre du kilomètre par seconde (supérieure à la vitesse du son)
Voir aussi l'article détaillé Explosion.
Feux de métaux
L'oxydation des métaux est en général lente. La chaleur dégagée est donc faible et est rapidement dissipée dans l'environnement ; c'est le domaine de la corrosion (par exemple la rouille du fer et de l'acier).
Cependant, dans certains cas, l'oxydation est violente et constitué donc une combustion. Il existe cinq cas notable
- combustion dans l'air du magnésium : le magnésium brûle facilement, en émettant une lumière très vive et blanche ; il était utilisé auparavant pour les flashs photographiques ;
- combustion du sodium dans l'eau : ce n'est pas à proprement parlé le sodium qui brûle ; le sodium réagit violemment avec l'eau et provoque un dégagement de dihydrogène, et avec la chaleur produite par la réaction, le dihydrogène s'enflamme dans l'air ;
- aluminothermie : le comburant est ici un oxyde métallique, il s'agit d'une réaction chimique entre deux solides ;
- combustion à haute température et forte concentration de dioxygène : lorsquele métal est chauffé très fort et que l'on envoit du dioxygène pur, la réactione st suffisamment rapide pour s'auto-entretenir ; ce phénomène est utilisé pour l'oxycoupage au chalumeau, la lance thermique, et c'est aussi l'accident du « coup de feu » qui peut survenir avec un détendeur d'une bouteile de dioxygène (par exemple oxygène médical ou bouteille de chalumeau) ;
- combustion d'un métal sous forme de poudre ou de mousse : la réaction chimique se fait au contact entre le métal et l'air, or dans le cas d'une mousse ou d'une poudre, cette surface de ocntact (la surface spécifique) est très grande, la réaction est donc rapide, chaleur dégagée est importante ; c'est un phénomène comparable au coup de poussière.
Application en aéronautique
La combustion est utilisée dans le domaine de l’astronautique pour fournir l’énergie de propulsion des engins spatiaux. Les termes correspondants en anglais sont burning et combustion.
Selon le type de combustion employé dans un propulseur, on parle de :
- combustion en cigarette,
- combustion érosive,
- combustion transversale extérieure,
- combustion transversale intérieure.
Référence
Droit français : arrêté du 20 février 1995 relatif à la terminologie des sciences et techniques spatiales.
Voir aussi
- briquet (allumage d’un feu), amadou
- feu
- chambre de combustion
- combustible
- comburant
- explosion
- moteur à combustion interne
- oxydo-réduction
- pression de combustion
- incendie
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