Combustion

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

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

Triangle du feu

triangle du feu La réaction chimique de combustion ne peut se produire que si l'on réunit trois éléments : un combustible, un comburant, une énergie d'activation en quantités suffisante. On représente de façon symbolique cette association par le triangle du feu. Le combustible peut être:
- un gaz (butane, propane, gaz de ville, dihydrogène…),
- un liquide ou solide liquéfiable (essence, gasoil, huile, kérosène…),
- un solide (bois, papier, carton, tissu, plastique…). Ce peut être un mélange de différents corps. Le comburant est l’autre réactif 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 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 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, voire de s'amplifier en une réaction en chaîne. 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.

Différents types de combustion

Rapide

La combustion rapide est une forme de combustion au cours de laquelle de grandes quantités de chaleur et d'énergie sous forme de lumière sont relâchées, donnant naissance au feu. Elle est utilisée dans certaines machines telles que les moteurs à combustion internes ou les armes thermobariques.

Lente

La combustion lente est une réaction se réalisant à des températures peu élevées. On peut citer le cas de la respiration cellulaire.

Complète

Lors d'une combustion complète, le réactif brûlera en présence de dioxygène, ce qui limite les produits de la réaction. Quand un hydrocarbure brûle dans le dioxygène, les produits sont ainsi uniquement du dioxyde de carbone et de l'eau. Quand des éléments comme le carbone, l'azote, le soufre, et le fer sont brûlés, on remarque la production des oxydes les plus communs.

Chaude

La combustion chaude 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.

Incomplète

La combustion incomplète a lieu quand il n'y a pas assez d'oxygène pour permettre au combustible (souvent un hydrocarbure) de réagir complètement avec le dioxygène pour produire du dioxyde de carbone et de l'eau. Quand un hydrocarbure brûle dans l'air, la réaction produira du dioxyde de carbone, de l'eau, du monoxyde de carbone, du carbone pur (suie ou cendres), mais aussi de nombreux autres composés tels que les oxydes d'azote. La réaction incomplète de combustion est par conséquent la plus commune de toutes, et produira ainsi de très grandes quantités de produits secondaires, et, dans le cas de la combustion de carburant dans les moteurs automobiles, ces produits secondaires peuvent être plutôt mauvais pour la santé et endommagent l'environnement. La qualité de la combustion peut être améliorée en étudiant les pièces impliquées dans la réaction, comme les brûleurs, et les moteurs à combustion interne. D'autres améliorations sont réalisables par des pièces post-combustion catalytiques (comme des pots d'échappement catalytiques). De telles pièces sont rendues obligatoires par la législation automobile dans la majorité des pays, et devrait être nécessaire dans des grands dispositifs de combustion.

Procédés d'extinction d'une combustion

Pour éteindre une réaction de combustion, il faut supprimer un de trois éléments du triangle du feu :
- suppression du combustible : fermeture d'une vanne ou d'un robinet qui alimente la combustion, éloignement de combustibles à proximité du feu, exutoire pour chasser la fumée (qui contient des imbrûlés), …
- suppression du comburant (étouffement) : utilisation d'un extincteur à neige carbonique, d'une couverture, aspersion d'eau sur un combustible solide (la vapeur d'eau formée chasse l'air) …
- suppression de l'énergie d'activation (refroidissement) : pulvérisation d'eau dans le cas d'une atmosphère prémélangée (mélange de gaz ou de particules combustibles et de gaz comburant), grille absorbant la chaleur (lampe de Davy), exutoire pour chasser la fumée (qui est chaude), … On note que l'eau peut avoir deux rôles différents :
- dans le cas d'un combustible solide, le facteur limitant est l'apport en comburant (air), le feu produisant sa propre chaleur ; l'eau étouffe donc le feu en chassant l'air ;
- dans le cas d'une atmosphère prémélangée, on ne peut pas séparer le combustible du comburant, la seule action possible consiste à refroidir l'atmosphère pour empêcher la flamme de se propager (la vapeur d'eau joue également un rôle de diluant).

Approche chimique

Combustion du méthane dans le dioxygène 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. 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 dégagée par la réaction est supérieure à la quantité d'énergie nécessaire à l'initier 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, moteurs à combustion interne, lutte contre incendie), on utilise souvent la notion de pouvoir calorifique, qui est l'enthalpie de réaction par unité de masse de combustible ou l'énergie obtenue par la combustion d'un kilogramme de combustible, exprimée en général en kilojoule par kilogramme (noté kJ/kg ou kJ·kg-1). Les combustions d'hydrocarbures dégagent de l'eau sous forme de vapeur. Cette vapeur d'eau contient une grande quantité d'énergie. 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) : « Quantité d'énergie dégagée par la combustion complète d'une unité de combustible, la vapeur d'eau étant supposée condensée et la chaleur récupérée »http://www.gazdefrance.com/FR/public/page.php?idarticle=221.
- le pouvoir calorifique inférieur (PCI) : « Quantité de chaleur dégagée par la combustion complète d'une unité de combustible, la vapeur d'eau étant supposée non condensée et la chaleur non récupérée »http://www.gazdefrance.com/FR/public/page.php?idarticle=220. La différence entre le PCI et le PCS est la chaleur latente de vaporisation de l’eau (L_v) multipliée par la quantité de vapeur produite (m), qui vaut à peu-près 2 250 kJ·kg-1 (cette dernière valeur dépend de la pression et de la température). On a la relation .

Vitesse du front de flamme et explosion

Dans le cas d'une flamme de prémélange, la combustion est caractérisée par la vitesse du front de flamme :
- La déflagration : la vitesse du front de flamme est inférieure à la vitesse du son (330 m/s sous une pression de 1 atm à 20 °C) ;
- La détonation : la vitesse du front de flamme est supérieure à la vitesse du son, et peut atteindre plusieurs kilomètres par seconde.

Feux de métaux

L'oxydation des métaux est en général lente. La chaleur dégagée est donc faible et est lentement 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 constitue donc une combustion. Il existe cinq cas notables :
- 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 parler 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 : lorsque le métal est chauffé très fort et que l'on envoie du dioxygène pur, la réaction est 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 bouteille 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 contact (la surface spécifique) est très grande, la réaction est donc rapide et la chaleur dégagée importante ; c'est un phénomène comparable au coup de poussière.

Application 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 employée 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 caractérisée par une surface plane de combustion progressant dans la direction longitudinale, vers l'avant ou vers l'arrière ;
- Combustion érosive (en anglais erosive burning) qui est une combustion d'un bloc de poudre dans le cas où l'écoulement des gaz de combustion provoque une érosion du bloc ;
- Combustion transversale extérieure (en anglais external burning) qui est une combustion d'un bloc de poudre caractérisée par une surface de combustion s'étendant longitudinalement et progressant de l'extérieur vers l'intérieur ;
- Combustion transversale intérieure (en anglais internal burning) qui est une combustion d'un bloc de poudre qui s'effectue de l'intérieur vers l'extérieur à partir d'un canal central.

Référence

Droit français : arrêté du 20 février 1995 relatif à la terminologie des sciences et techniques spatiales.

Voir aussi


- Feu
- Flamme
- Combustible
- Comburant
- Réaction d'oxydo-réduction
- Explosion
- Chambre de combustion
- Moteur à combustion interne
- Pression de combustion
- Combustion du carbone (réaction chimique)

Notes

Catégorie:astronautique catégorie:lutte contre l'incendie catégorie:feu catégorie:réaction chimique ar:احتراق ca:Combustió cs:Hoření da:Forbrænding de:Verbrennung (Chemie) el:Καύση en:Combustion es:Combustión fi:Palaminen gl:Combustión he:בעירה id:Pembakaran it:Combustione ja:燃焼 ko:연소 nl:Verbranding no:Forbrenning pl:Spalanie pt:Combustão ru:Горение sv:Förbränning tl:Kombustyon uk:Горіння zh:燃烧
Sujets connexes
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