energie combustion

Substances combustibles

Que sont les subtances combustibles

Les substances combustibles sont : Les gaz combustibles, l’alcool, l’essence, le bois, le charbon, la paraffine Les gaz naturels. Ce sont pour la plupart des hydrocarbures (molécules constituées essentiellement d’atomes de C et de H)

Les gaz combustibles

Le gaz naturel est constitué d’un mélange d’hydrocarbures, essentiellement de méthane (et d’éthane).

Le propane et le butane ne sont pas appelés gaz naturels, et sont obtenus par distillation fractionnée du pétrole.

Ces substances, de la famille des alcanes, sont utilisés comme source d’énergie, qui est libérée par combustion.

Réactions de combustion

Définition

Un combustible nécessite un comburant (O2) pour brûler.
Il s’agit d’une réaction chimique, qui dégage de l’énergie thermique.
Les produits de réaction diffèrent selon s’il s’agit d’une réaction complète / incomplète.

Une réaction de combustion est donc une réaction chimique mettant en jeu un combustible et du dioxygène, et dont les produits formés peuvent être selon la proportion de dioxygène: $CO, CO_2, H_2O$

Combustion complète

Cette combustion se fait en excès de dioxygène. Lors d’une combustion complète, les produits sont: CO2 et H2. L’équation chimique pour la combustion complète méthane :

$$CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$$

Le bilan de matière montre que de l’eau (g) se dégage, et que la quantité de combustible baisse. (réactif)

Exercice: Ecrire la réaction de combustion complète du propane, puis du butane. (voir les formules de ces 2 alcanes dans le tableau ci-dessous).

Combustion incomplète

Pour une combustion incomplète, en défaut de dioxygène, les produits formés peuvent être du carbone C(s), ou du monoxyde de carbone CO(g) (gaz très toxique)

Exemple:

$$CH_4 + 1,5 O_2 => CO + 2H_2O$$

Remarque: Le coefficient devant O2 est inférieur à celui d’une combustion complète. (1,5 < 2).

Propriétés des gaz combustibles

Les propriétés des gaz combustibles sont liées aux caractéristiques de ces gaz: Température de changement d’état et densité des gaz

Les alcanes C1 à C4 sont tous à l’état gazeux à température ambiante (voir tableau). Ces alcanes ont pour formule brute : CnH2n+2

Alcane Dimension chaine Formule brute Temperature ebullition Teb (°C) densité d
Méthane C1 CH4 -161,7 0,55
Ethane C2 C2H6 -88,6 1,0
Propane C3 C3H8 -42,1 1,5
Butane C4 C4H10 -0,5 2

Remarques :

  • Toutes ces substances sont à l’état Gaz à température ambiante. Le butane peut facilement se liquéfier lorsqu’il fait froid (moins de zero degrès): Teb = -0,5°C.
  • L’utilisation des gaz combustibles nécessite une sécurité particulière (risque : ils sont inflammables
  • Une ventilation aux normes doit être prévue (fuite de gaz), en partie haute ou basse suivant la densité du gaz. Seul le méthane (et donc le gaz naturel) est moins dense que l’air (d = 0,55)
  • Une ventilation permettant l’arrivée d’air frais est obligatoire (local bien ventilé)

  • Le gaz naturel ne peut pas être stocké.

  • Le propane doit être stocké à l’exterieur de l’habitation (sécurité). Le butane ne peut pas être stocké à l’extérieur (à cause de son point d’ébullition trop bas)

  • Le paiement peut être très différent:

    • s’il s’agit d’un gaz du réseau (gaz naturel): abonnement puis paiement APRES consommation
    • pour une cuve/ bouteille de gaz: paiement avant consommation.
  • Les appareils de cuisson au gaz peuvent indifféremment utiliser du gaz naturel, du propane ou du butane. Mais l’injecteur de la colonne d’arrivée de gaz doit être adapté au type de gaz.

Pouvoir calorifique

Definition: C’est la quantité d’énergie dégagée par la combustion de 1m3 ou 1 kg de matière. (l’eau résultant sous forme de gaz : PCI)

$$PC = Q/V$$

ou

$$PC = Q/m$$

Alcane PC (kJ/m3)
Méthane 36000
Ethane
Propane 93000
Butane 124000


Exercice:

  1. Calculer la quantité d’énergie libérée par la combustion de 40L de butane.
  2. Calculer la quantité de propane necessaire pour dégager une énergie de 100 000J.

Réponses:

Question 1: D’après la définition du PC: Pour un volume V = 40L = 0,040m3:

$$Q = PC \times V = 124000 \times 0,040 = 5000 kJ$$

Question 2: D’après la définition du PC: Pour une énergie Q = 100 kJ:

$$Q = Q/PC = 100 / 93000 = 0,001 m^3 = 1L$$

Le pouvoir comburivore

C’est le volume d’air nécessaire à la combustion de 1m3 de combustible.

Il faudra utiliser l’équation chimique combustion de l’alcane vue plus haut, car ce nombre est lié au coefficient stœchiométrique du dioxygène O<2.

L’équation fournit le coefficient de O2 . Les coefficients de cette équation indiquent les proportions dans lesquelles ces gaz reagissent.

$$CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$$

Pour obtenir le volume d’air équivalent, il faudra multiplier ce coefficient par 5 (l’air contient 20% de O2 et 80% de N2, ce qui fait un ratio de 15 d’O2 dans l’air):

Le méthane a donc un pouvoir comburivore égal à 10, car 2 (le coef de O2) * 5 = 10.

Ce qui signifie que 1m3 de méthane necessite 10 m3 d’air pour sa combustion complète. Ces 10 m3 vont lui apporter les 2m3 de O2 dont il a besoin pour sa combustion.

Rappels

Energie thermique

Le transfert de chaleur s’accompagne d’une augmentation de température du corps considéré (celui que l’on réchauffe).

En physique : chaleur = énergie thermique.

Cette énergie thermique, notée Q, dépend de la variation de température T2-T1 mais aussi de la capacité thermique du corps.

capacité thermique.

La capacité thermique est l’énergie qu’il faut apporter à un corps pour augmenter sa température d’un degré. Elle s’exprime en joule par kelvin (J/K). Plus sa valeur est élevée, plus le corps aura de l’inertie thermique.

Loi de calorimétrie

L’énergie thermique échangée par un corps lorsque sa température évolue de T1 à T2, suit la loi:

$$Q = m\times c \times (T_2 - T_1)$$

où c est la capacité thermique massique, en J.kg-1.°C-1

Exercice: En chauffant de l’eau (volume 500mL) à l’aide d’une bougie à base de paraffine, la température de l’eau passe de 20°C à 45°C. Quelle est l’énergie thermique échangée? Donnée: c = 4,18 J.g-1.°C-1

Réponse: V = 500mL => m = 500g

d’après la loi de calorimétrie:

$$Q = m\times c \times (T_2 - T_1) = 500 \times 4,18 \times (45 - 20) = 52 000 J$$

Soit 52 kJ.