Combustion

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Combustion
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La combustion d'un b√Ęton d'encens, se traduisant par la production d'une flamme

La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une explosion.

Sommaire

Triangle du feu

Triangle du feu

La r√©action chimique de combustion ne peut se produire que si l'on r√©unit trois √©l√©ments : un combustible, un comburant, une √©nergie d'activation en quantit√©s suffisantes. On repr√©sente de fa√ßon symbolique cette association par le triangle du feu. De la m√™me mani√®re, la combustion cesse d√®s qu'un √©l√©ment du triangle est enlev√©.

Le combustible peut √™tre :

Ces quatre points correspondent respectivement aux quatre principales classes de feux A, B, C et D.

Le comburant est l‚Äôautre r√©actif de la r√©action chimique. La plupart du temps, il s‚Äôagit de l‚Äôair ambiant, et plus particuli√®rement de l‚Äôun de ses composants principaux, le dioxyg√®ne. En privant un feu d‚Äôair, on l‚Äô√©teint ; par exemple, si on place une bougie chauffe-plat allum√©e dans un bocal de confiture et qu‚Äôon ferme le bocal, la flamme s‚Äô√©teint ; √† l‚Äôinverse, si l‚Äôon souffle sur un feu de bois, cela l‚Äôactive (on apporte plus d‚Äôair). Dans certains chalumeaux, on apporte du dioxyg√®ne pur pour am√©liorer la combustion.

Dans certains cas très particuliers (souvent explosifs comme avec l'aluminium), 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 r√©action est d√©clench√©e par une √©nergie d‚Äôactivation. Il s‚Äôagit g√©n√©ralement de chaleur. Par exemple, ce sera l'√©chauffement du frottement dans le cas de l‚Äôallumette, le c√Ęble √©lectrique qui chauffe, ou une autre flamme (propagation du feu), √©tincelle (de l‚Äôallume-gaz, de la pierre du briquet ou d‚Äôun appareil √©lectrique qui se met en route ou s‚Äôarr√™te). Mais il y a d‚Äôautres fa√ßons de fournir l‚Äô√©nergie d‚Äôactivation : √©lectricit√©, radiation, pression‚Ķ qui permettront toujours une augmentation de la temp√©rature. La production de chaleur permet √† la r√©action de s‚Äôauto-entretenir dans la plupart des cas, voire de s'amplifier en une r√©action en cha√ģne. La temp√©rature √† partir de laquelle un liquide √©met suffisamment de vapeurs pour former avec l'air un m√©lange inflammable dont la combustion peut s'entretenir d'elle-m√™me est appel√©e point d'inflammation.

Procédés d'extinction d'une combustion

Article d√©taill√© : Lutte contre l'incendie.

Pour interrompre une r√©action de combustion, il faut supprimer un des trois √©l√©ments du triangle du feu :

  • suppression du combustible : fermeture d'une vanne ou d'un robinet qui alimente la combustion, √©loignement de combustibles √† proximit√© du feu, exutoire pour chasser la fum√©e (qui contient des imbr√Ľl√©s), ‚Ķ
  • suppression du comburant (√©touffement) : utilisation d'un extincteur √† neige carbonique, d'une couverture, aspersion d'eau sur un combustible solide (la vapeur d'eau form√©e chasse l'air) ‚Ķ
  • suppression de l'√©nergie d'activation (refroidissement) : pulv√©risation d'eau dans le cas d'une atmosph√®re pr√©m√©lang√©e (m√©lange de gaz ou de particules combustibles et de gaz comburant), grille absorbant la chaleur (lampe de mineur "Davy"), exutoire pour chasser la fum√©e (qui est chaude), ‚Ķ

L'eau peut avoir deux r√īles diff√©rents :

  1. dans le cas d'un combustible solide, le facteur limitant est l'apport en comburant (air), le feu produisant sa propre chaleur ; l'eau √©touffe donc le feu par d√©gagement de vapeur qui entra√ģne l'air et emp√™che l'alimentation en oxyg√®ne;
  2. dans le cas d'une atmosph√®re pr√©m√©lang√©e, on ne peut pas s√©parer le combustible du comburant, la seule action possible consiste √† refroidir l'atmosph√®re pour emp√™cher la flamme de se propager (la vapeur d'eau joue √©galement un r√īle de diluant).

Il existe cependant des cas o√Ļ le facteur d√©clenchant la combustion n'est pas l'√©nergie d'activation. Par exemple, l'explosion de fum√©es est une combustion tr√®s violente des gaz imbr√Ľl√©s pr√©sents dans les fum√©es (voir combustion incompl√®te) provoqu√©e par un apport soudain d'air, donc de comburant. L'intervalle dans lequel le m√©lange air/gaz pourra br√Ľler est born√© par les limites d'explosivit√© dans l'air. Cet intervalle peut mesurer de quelques pour cent (k√©ros√®ne) √† plusieurs dizaines de pour cent (ac√©tyl√®ne).

Historique

La d√©couverte de la combustion par l'oxyg√®ne est imputable au chimiste fran√ßais Lavoisier, en 1775. On consid√®re g√©n√©ralement que Joseph Priestley, qui a isol√© pour la premi√®re fois de l'oxyg√®ne (impur) n'a pas pour autant d√©couvert l'oxyg√®ne, dans la mesure o√Ļ il se fondait encore sur l'ancienne th√©orie du phlogistique.

Selon le philosophe des sciences Thomas Samuel Kuhn, la découverte de la combustion par l'oxygène constitue une révolution scientifique majeure dans l'histoire des sciences[1]. Elle a constitué un changement de paradigme, en remplaçant l'ancien paradigme du phlogistique.

La combustion par l'oxyg√®ne a eu au XIXe si√®cle, et plus encore au XXe si√®cle, de nombreuses applications industrielles (voir section applications ci-dessous). Elle a cependant conduit pendant l'√®re industrielle √† l'√©mission massive de dioxyde de carbone, qui est un gaz √† effet de serre contribuant pour une large part aux ph√©nom√®nes de d√©r√®glement climatique[2].

Caractéristiques

Combustion rapide

La combustion rapide est une forme de combustion au cours de laquelle de grandes quantit√©s de chaleur et d'√©nergie sous forme de lumi√®re sont rel√Ęch√©es, donnant naissance au feu. Elle est utilis√©e dans certaines machines telles que les moteurs √† combustion interne ou les armes thermobariques.

Combustion lente

La combustion lente est une réaction se réalisant à des températures peu élevées.

  • On peut citer le cas de la respiration cellulaire : cette lenteur due √† des enzymes sp√©cifiques permettent d'augmenter les r√©actions d'oxydor√©duction et ainsi d'obtenir un tr√®s bon rendement par r√©cup√©ration d'une grande partie de l'√©nergie.

Combustion complète

Lors d'une combustion complète, le réactif réagira avec le comburant jusqu'à former des produits qui ne pourront plus être oxydés, c'est-à-dire que ces produits ne peuvent plus réagir avec le comburant: les produits ont atteint un degré de stabilité qu'une réaction de combustion ne peut modifier. Dans le cas d'un hydrocarbure réagissant avec le dioxygène, les produits de combustion sont le dioxyde de carbone et de l'eau. Il existe pour chaque élément un produit de combustion stable, ainsi une combustion complète fournit les mêmes produits de réactions quels que soient les réactifs.

Une combustion complète permet d'obtenir la quantité maximale d'énergie disponible par une substance et cette énergie est définie comme étant le pouvoir calorifique.

Combustion turbulente

La combustion turbulente est une combustion caractérisée par des flux de chaleur. Elle est souvent utilisée dans l'industrie (par exemple, les turbines à gaz, les moteurs diesel...) car la chaleur facilite l'opération de mélange entre le combustible et l'oxydant.

Combustion incomplète

La combustion incompl√®te a lieu quand la quantit√© de comburant est insuffisante pour permettre la r√©action compl√®te du combustible ou lorsque le temps de contact, √† une temp√©rature rendant la combustion possible, est trop faible. Elle produit des r√©sidus de combustion, sous forme de cendres qui √©mettent des fum√©es : certains compos√©s, tels que monoxyde de carbone (gaz mortel), particules de carbone pur (suie, goudron, cendres), oxydes d'azote, hydrocarbures (du benz√®ne canc√©rig√®ne par exemple) sont tr√®s toxiques pour l'homme et pour l'environnement , ou fortement toxiques comme les HAP ou les compos√©s organiques volatils[3].

La r√©action de combustion est habituellement incompl√®te. Seul le contr√īle des conditions permet d'obtenir une combustion compl√®te, en apportant un exc√®s d'oxyg√®ne √† haute temp√©rature par exemple. En cas de combustion incompl√®te, il est possible de traiter les fum√©es pour r√©duire les imbr√Ľl√©s ainsi que le font les pots d'√©chappement et les filtres √† particules des moteurs d'automobiles. La pr√©sence de catalyseurs y assure alors une seconde combustion √† plus faible temp√©rature. Des filtres √† particules sont √©galement d√©velopp√©s pour les √©quipements de combustion du bois, un combustible solide √©tant particuli√®rement expos√© au risque de combustion incompl√®te.

Chimie de la combustion

Combustion du méthane dans le dioxygène

La combustion est une r√©action chimique o√Ļ des mol√©cules complexes sont d√©compos√©es en mol√©cules plus petites et plus stables via un r√©arrangement des liaisons entre les atomes. La chimie de la combustion est une composante majeure de la chimie √† haute temp√©rature qui implique principalement des r√©actions radicalaires. Toutefois il est possible de traiter la combustion via une r√©action globale unique.

Exemple  :

Combustion du propane dans le dioxygène

H3C-CH2-CH3 + 5O2 ‚Üí 3CO2 + 4H2O

Le dioxyde de carbone CO2 et l’eau H2O sont plus stables que le dioxygène et le propane.

La combustion est une r√©action d'oxydo-r√©duction, en l‚Äôoccurrence l‚Äôoxydation d‚Äôun combustible par un comburant ;

  • le combustible est le corps qui est oxyd√© durant la combustion ; c'est un r√©ducteur, il perd des √©lectrons ;
  • le comburant est le corps qui est r√©duit ; c'est un oxydant, il gagne des √©lectrons.

Comme pour toutes r√©actions chimiques, un catalyseur facilite la combustion et comme cette derni√®re poss√®de souvent une √©nergie d'activation √©lev√©e, l'usage d'un catalyseur permet de travailler √† une temp√©rature moins √©lev√©e. Ceci permet une combustion compl√®te comme dans le cas des pots catalytiques qui gr√Ęce √† la pr√©sence de m√©taux catalytiques br√Ľlent les r√©sidus des gaz d'√©chappement √† une temp√©rature inf√©rieure √† celle r√©gnant dans le moteur.

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.

√Čnergie d√©gag√©e et pouvoir calorifique

La quantité d'énergie dégagée par la réaction est supérieure à la quantité d'énergie nécessaire à l'initier

La quantit√© d‚Äô√©nergie produite par la combustion est exprim√©e en joules (J) ; il s'agit de l'enthalpie de r√©action. Dans les domaines d'application (fours, br√Ľleurs, moteurs √† combustion interne, lutte contre incendie), on utilise souvent la notion de pouvoir calorifique, qui est l'enthalpie de r√©action par unit√© de masse de combustible ou l'√©nergie obtenue par la combustion d'un kilogramme de combustible, exprim√©e en g√©n√©ral en kilojoule par kilogramme (not√© kJ/kg ou kJ¬∑kg-1).

Les combustions d'hydrocarbures d√©gagent de l'eau sous forme de vapeur. Cette vapeur d'eau contient une grande quantit√© d'√©nergie. Ce param√®tre est donc pris en compte de mani√®re sp√©cifique pour l'√©valuation du pouvoir calorifique, et l'on d√©finit :

  • le pouvoir calorifique sup√©rieur (PCS) : ¬ę Quantit√© d'√©nergie d√©gag√©e par la combustion compl√®te d'une unit√© de combustible, la vapeur d'eau √©tant suppos√©e condens√©e et la chaleur r√©cup√©r√©e ¬Ľ[4].
  • le pouvoir calorifique inf√©rieur (PCI) : ¬ę Quantit√© de chaleur d√©gag√©e par la combustion compl√®te d'une unit√© de combustible, la vapeur d'eau √©tant suppos√©e non condens√©e et la chaleur non r√©cup√©r√©e ¬Ľ[5].

La diff√©rence entre le PCI et le PCS est la chaleur latente de vaporisation de l‚Äôeau (Lv), qui vaut √† peu-pr√®s 2 250 kJ¬∑kg-1 (cette derni√®re valeur d√©pend de la pression et de la temp√©rature), multipli√©e par la quantit√© de vapeur produite (m).

On a la relation PCS = PCI + m·Lv.

Article d√©taill√© : Pouvoir calorifique.

Vitesse du front de flamme et explosion

Article d√©taill√© : explosion.

Dans le cas d'une flamme de pr√©m√©lange, la combustion est caract√©ris√©e par la vitesse du front de flamme :

  • La d√©flagration : la vitesse du front de flamme est inf√©rieure √† la vitesse du son (330 m/s sous une pression de 1 atm √† 20 ¬įC) ;
  • La d√©tonation  : la vitesse du front de flamme est sup√©rieure √† la vitesse du son, et peut atteindre plusieurs kilom√®tres par seconde.

Feux de métaux

L'oxydation des m√©taux est en g√©n√©ral lente. La chaleur d√©gag√©e est donc faible et est lentement dissip√©e 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 constitue donc une combustion. Il existe cinq cas notables :

  • combustion dans l'air du magn√©sium : le magn√©sium br√Ľle facilement, en √©mettant une lumi√®re tr√®s vive et blanche ; il √©tait utilis√© auparavant pour les flashs photographiques ;
  • combustion du sodium dans l'eau : ce n'est pas √† proprement parler le sodium qui br√Ľle ; le sodium r√©agit violemment avec l'eau et provoque un d√©gagement de dihydrog√®ne, et avec la chaleur produite par la r√©action, le dihydrog√®ne s'enflamme dans l'air ;
  • aluminothermie : le comburant est ici un oxyde m√©tallique, il s'agit d'une r√©action chimique entre deux solides ;
  • combustion √† haute temp√©rature et forte concentration de dioxyg√®ne : lorsque le m√©tal est chauff√© tr√®s fort et que l'on envoie du dioxyg√®ne pur, la r√©action est suffisamment rapide pour s'auto-entretenir ; ce ph√©nom√®ne est utilis√© pour l'oxycoupage au chalumeau, la lance thermique, et c'est aussi l'accident du ¬ę coup de feu ¬Ľ qui peut survenir avec un d√©tendeur d'une bouteille de dioxyg√®ne (par exemple oxyg√®ne m√©dical ou bouteille de chalumeau) ;
  • combustion d'un m√©tal sous forme de poudre ou de mousse : la r√©action chimique se fait au contact entre le m√©tal et l'air, or dans le cas d'une mousse ou d'une poudre, cette surface de contact (la surface sp√©cifique) est tr√®s grande, la r√©action est donc rapide et la chaleur d√©gag√©e importante ; c'est un ph√©nom√®ne comparable au coup de poussi√®re.

Applications

Dans les transports

La combustion est utilisée massivement dans les moteurs à explosion, pour la propulsion des véhicules de transport (automobiles, camions, avions à hélice, motos, bateaux), mais aussi pour des outils mobiles (tondeuse à gazon, tronçonneuse), et pour des installations fixes (groupe électrogène, pompe).

Dans la production d'électricité

La combustion est utilis√©e dans les centrales thermiques utilisant des combustibles fossiles (charbon, gaz naturel, ou p√©trole), pour d√©gager de la chaleur, qui produit de l'√©lectricit√© gr√Ęce √† des turbo-alternateurs.

En astronautique

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 employ√©e dans un propulseur, on parle de :

  • Combustion en cigarette (en anglais cigarette burning et end burning) qui est une combustion d'un bloc de poudre caract√©ris√©e par une surface plane de combustion progressant dans la direction longitudinale, vers l'avant ou vers l'arri√®re ;
  • Combustion √©rosive (en anglais erosive burning) qui est une combustion d'un bloc de poudre dans le cas o√Ļ l'√©coulement des gaz de combustion provoque une √©rosion du bloc ;
  • Combustion transversale ext√©rieure (en anglais external burning) qui est une combustion d'un bloc de poudre caract√©ris√©e par une surface de combustion s'√©tendant longitudinalement et progressant de l'ext√©rieur vers l'int√©rieur ;
  • Combustion transversale int√©rieure (en anglais internal burning) qui est une combustion d'un bloc de poudre qui s'effectue de l'int√©rieur vers l'ext√©rieur √† partir d'un canal central.

Notes et références

Droit fran√ßais : arr√™t√© du 20 f√©vrier 1995 relatif √† la terminologie des sciences et techniques spatiales. Les mots de la combustion, dictionnaire des termes couramment utilis√©s en combustion √©tabli par le Groupement Fran√ßais de Combustion

  1. ‚ÜĎ Thomas Kuhn, La Structure des r√©volutions scientifiques, 1962
  2. ‚ÜĎ A posteriori, cette cons√©quence indirecte et √† long terme pose la question de la r√©alit√© du progr√®s scientifique et technique. Cet article n'a cependant pas vocation √† traiter de ce probl√®me de fond. Les lecteurs int√©ress√©s par ces questions pourront prendre connaissance dans un premier temps des articles d√©veloppement durable, g√©n√©rations futures, etc.
  3. ‚ÜĎ (fr) CEREN - Approche toxicologique des fum√©es de feux de for√™ts, par V√©ronique FERLAY-FERRAND, Claude PICARD, Claude PRIM
  4. ‚ÜĎ Pouvoir calorifique sup√©rieur (PCS) - Gaz de France
  5. ‚ÜĎ Pouvoir calorifique inf√©rieur (PCI) - Gaz de France

Voir aussi

Bibliographie

  • (en) Maximilian Lackner (√©d.), Franz Winter (√©d.), Avinash K. Agarwal (√©d.), Handbook of Combustion, John Wiley & Sons, juin 2010 (ISBN 978-3-527-32449-1) 
  • (en) Thierry Poinsot, Denis Veynante, Theoretical and Numerical Combustion, Edwards, 2005 

Articles connexes

Liens externes


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  • combusti√≥n ‚ÄĒ (Del lat. combustń≠o, Ňćnis). 1. f. Acci√≥n y efecto de arder o quemar. 2. Biol. Oxidaci√≥n de los alimentos en los seres vivos. 3. Qu√≠m. Reacci√≥n qu√≠mica entre el ox√≠geno y un material oxidable, acompa√Īada de desprendimiento de energ√≠a y que… ‚Ķ   Diccionario de la lengua espa√Īola

  • combustion ‚ÄĒ early 15c., from O.Fr. combustion (13c.), from L. combustionem (nom. combustio) a burning, noun of action from pp. stem of comburere to burn, from com , intensive prefix (see COM (Cf. com )), + *burere, faulty separation of amburere to burn… ‚Ķ   Etymology dictionary

  • combustion ‚ÄĒ [n] explosion; on fire agitation, candescence, disturbance, flaming, ignition, kindling, oxidization, thermogenesis, tumult, turmoil; concepts 521,676,724 ‚Ķ   New thesaurus

  • combustion ‚ÄĒ ‚Ėļ NOUN 1) the process of burning. 2) Chemistry rapid chemical combination with oxygen, involving the production of heat and light ‚Ķ   English terms dictionary


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