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Combustion

La combustion est une réaction chimique exothermique (c’est-à-dire accompagnée d’une production d'énergie sous forme de chaleur ).

Triangle du feu

triangle du feu
triangle du feu

La réaction chimique de combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique (c’est-à-dire accompagnée d’une production d'énergie sous forme de chaleur ).) ne peut se produire que si l'on réunit trois éléments : un combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique générant de la chaleur : la...), un comburant (Un comburant est un corps chimique qui a pour propriété de permettre la combustion d'un combustible. Le principal comburant est le dioxygène.), une énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) d'activation (Activation peut faire référence à :) en proportion suffisante. On représente de façon symbolique cette association par le triangle (En géométrie euclidienne, un triangle est une figure plane, formée par trois points et par les trois segments qui les relient. La dénomination de...) du feu (Le feu est la production d'une flamme par une réaction chimique exothermique d'oxydation appelée combustion.).

Le combustible peut être:

  • un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume...) (butane, propane, gaz de ville (Une ville est une unité urbaine (un « établissement humain » pour l'ONU) étendue et fortement peuplée (dont les...), dihydrogène…),
  • un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) (essence, gasoil, huile (L'huile est un terme générique désignant des matières grasses qui sont à l'état liquide à température ambiante et...), kérosène…),
  • un solide (bois, papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres cellulosiques végétales et animales. Il se présente sous forme de feuilles minces et est...), carton, tissu, plastique…).

Ce peut être un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi appelée mélange. Les substances...) de différents corps.

Le comburant est l’autre réactif de la réaction chimique. La plupart du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), il s’agit de l’air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est...) 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 (La bougie est un objet servant en général à éclairer, composé d'un corps gras et d’une mèche enflammée. Elle a...) chauffe-plat allumée dans un bocal de confiture et qu’on ferme le bocal, la flamme s’éteint ; à l’inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1 désigne...), 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), le comburant et le combustible sont un seul et même corps (par exemple la célèbre nitroglycérine, molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui...) instable comportant une partie oxydante greffée sur une partie réductrice).

La réaction est déclenchée par une énergie d’activation. La production de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) permet à cette réaction de s’auto-entretenir dans la plupart des cas, voire de s'amplifier en une réaction en chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :).

L’énergie d’activation est le déclencheur (En informatique, un déclencheur (ou trigger en anglais) est un dispositif logiciel qui provoque un traitement particulier en fonction d'événement prédéfinis. Par extension, c'est l'événement lui-même qui est qualifié de 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 (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie brisée », c'est-à-dire creusée dans la roche, pour ouvrir le chemin.) ou s’arrête). Mais il y a d’autres façons de fournir l’énergie d’activation : électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique...), radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une...), pression… qui permettront toujours une augmentation de la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée...).

Procédés d'extinction (D'une manière générale, le mot extinction désigne une action consistant à éteindre quelque chose. Plus particulièrement on retrouve ce terme dans plusieurs...) d'une combustion

Pour éteindre une réaction de combustion, il faut supprimer un de trois éléments du triangle du feu :

  • suppression du combustible : fermeture (Le terme fermeture renvoie à :) d'une vanne ou d'un robinet qui alimente la combustion…
  • suppression du comburant (étouffement) : utilisation d'un extincteur à neige (La neige est une forme de précipitation, constituée de glace cristallisée et agglomérée en flocons pouvant être ramifiés d'une infinité de...) carbonique, d'une couverture…
  • suppression de l'énergie d'activation (refroidissement) : utilisation d'un extincteur à eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) pulvérisée…

Approche chimique

Combustion du méthane dans le dioxygène
Combustion du méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve à l'état naturel et qui est...) 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.

Exemple : combustion du méthane dans le dioxygène
\rm CH_4 + 2O_2 \to CO_2 + 2H_2O
Le dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone (appelé parfois, de façon impropre « gaz carbonique ») est un composé chimique composé d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène et dont la formule...) \scriptstyle\rm CO_2 et l’eau \scriptstyle\rm H_2O 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 (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des réactifs et n'apparaît...), modifient par leur présence la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur...) 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 (L'enthalpie (du préfixe en- et du grec thalpein: chauffer) est une fonction d'état de la thermodynamique, dont la variation permet d'exprimer la quantité de chaleur mise en jeu pendant la transformation isobare d'un système...) de réaction. Dans les domaines d'application (fours, brûleurs, moteurs (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou travail.[réf. nécessaire]) à combustion interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le...), lutte contre incendie), on utilise souvent le notion de pouvoir calorifique, qui est l'enthalpie de réaction par unité de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps...) de combustible ou l'énergie obtenue par la combustion d'un kilogramme (Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse du Système international d'unités (SI).) 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 (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) 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 "[1].
  • 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 "[2].

La différence entre le PCI et le PCS est la chaleur latente (L'enthalpie de changement d'état, molaire ou massique, correspond à la quantité de chaleur nécessaire à l'unité de quantité de matière (mole) ou de masse (kg) d'un corps pour qu'il change d'état; cette transformation ayant lieu à température...) de vaporisation de l’eau (Lv) 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 (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) et de la température).

On a la relation PCS = PCI + m \cdot L_v.

Vitesse (On distingue :) du front de flamme et explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette...)

La combustion est caractérisée par la vitesse du front de flamme :

  • La déflagration : vitesse de quelques centaines de mètres par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une mesure...)
  • La détonation  : vitesse de l’ordre du kilomètre par seconde (supérieure à la vitesse du son)

Feux de métaux

L'oxydation des métaux est en général lente (La Lente est une rivière de la Toscane.). La chaleur dégagée est donc forte et est lentement dissipée dans l'environnement ; c'est le domaine de la corrosion (par exemple la rouille du fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie...) 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 (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est...) 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 (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans...) 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 (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des...), et c'est aussi l'accident du " coup de feu " qui peut survenir avec un détendeur d'une bouteille de dioxygène (par exemple oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) médical ou bouteille de chalumeau) ;
  • combustion d'un métal sous forme de poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent sous forme de petits morceaux, en général de taille inférieure au dixième de millimètre...) 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 (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) 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 (L'astronautique ou spationautique ou cosmonautique, est constituée par l'ensemble des sciences et des techniques visant à envoyer dans l'espace extraterrestre un...)

La combustion est utilisée dans le domaine de l’astronautique pour fournir l’énergie de propulsion (La propulsion est le principe qui permet à un corps de se mouvoir dans son espace environnant. Elle fait appel à un propulseur qui transforme en force motrice l'énergie fournie par le milieu extérieur ou par un...) 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 (Un bloc de poudre, dans le domaine de l'astronautique, est un bloc de propergol solide, coulé dans une enveloppe ou préformé, dont la forme est adaptée à une évolution déterminée de la surface de combustion.) caractérisée par une surface plane (La plane est un outil pour le travail du bois. Elle est composée d'une lame semblable à celle d'un couteau, munie de deux poignées, à chaque extrémité de la lame. Elle permet le dégrossissage et le creusage de...) de combustion progressant dans la direction longitudinale, vers l'avant ou vers l'arrière ;
  • Combustion érosive (La combustion est une réaction chimique exothermique (c’est-à-dire accompagnée d’une production d'énergie sous forme de chaleur ).) (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 (La combustion est une réaction chimique exothermique (c’est-à-dire accompagnée d’une production d'énergie sous forme de chaleur ).) (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 (La combustion est une réaction chimique exothermique (c’est-à-dire accompagnée d’une production d'énergie sous forme de chaleur ).) (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.
Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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