29 notions-clefs : le feu, la combustion

Aspects énergétiques et matériels
Auteurs : Travail collectif(plus d'infos)
Résumé :
Document de Marc Julia issu de l'ouvrage "29 notions clefs pour savourer et faire savourer la science - primaire et collège", paru aux éditions Le Pommier en août 2009.
Publication : 12 Mai 2014

Aspects énergétiques. Pouvoir calorifique

Pour essayer de comprendre, il faut d’abord recueillir des informations. Celles-ci doivent être qualitatives et, si c’est possible, quantitatives. Pour le moment, concentrons notre attention sur le processus global ; nous verrons ensuite plus en détail le déroulement des opérations.
Lors de la combustion de la bougie, on voit bien que de la cire « disparaît ». Pour mesurer cette diminution, on pèse la bougie avant et après l’opération, ce qui permet d’obtenir, par différence, la quantité de cire consommée. Pour déterminer s’il y a une relation entre cette quantité et la quantité de chaleur produite, on utilise la chaleur pour chauffer une quantité d’eau préalablement mesurée et repérer la température de cette eau avant et après le chauffage.

On pèse une bougie avant l’expérience, on la pèsera également après celle-ci, ce qui permettra de savoir quelle quantité de cire a été consommée.
On mesure en volume ou en poids (m) une quantité d’eau dans un petit becher que l’on place avec un support au-dessus de la bougie. On y plonge un thermomètre et on repère la température initiale. On allume alors la bougie et on laisse chauffer en agitant doucement de temps en temps. Quand la température a nettement monté, on éteint la bougie et on note la température d’arrivée : dT est la différence avec la température initiale. On pèse la bougie (ce qu’il en reste) : la différence (m’) avec la valeur initiale déterminée avant l’expérience donnera la masse consommée.
En pratique, on obtient avec 50 ml d’eau, 15° de différence de température, 0,38 g pour la différence de masse. La quantité de chaleur fournie par 0,38 g de cire est donc : 50 x 15 = 750 cal. Par conséquent, un kilo de cire fournirait 750 x 1 000/0,38 = 1 970 000 cal, soit 1 970 kcal. S’il est clair que l’on a perdu une bonne part de la chaleur, qui a servi à chauffer l’air de la pièce, cette expérience très simple donne cependant un bon ordre de grandeur.
Vous pouvez réaliser des expériences avec des valeurs de m, m’ et dT différentes, vous trouverez à chaque fois que la valeur obtenue est indépendante de l’expérience. Elle est une propriété intrinsèque de la cire. On l’appelle le pouvoir calorifique.

Il est commode d’utiliser comme unité de quantité de chaleur la quantité nécessaire pour élever la température d’un millilitre (mL) (1cm3, ou, encore, 1g) d’eau de 1 °C : on l’appelle calorie (cal) – pour un kilo d’eau, il faudra naturellement mille fois plus, on parlera d’une kilocalorie (kcal). On peut admettre que la quantité de chaleur mise en jeu est proportionnelle à la masse d’eau et à la différence de température observée. On exprime souvent les quantités de chaleur en joules (1 cal = 4,18 J ; on utilise cette unité de mesure par convention internationale).
Le tableau ci-après donne les valeurs obtenues pour des combustibles usuels (les valeurs énergétiques de quelques aliments courants y ont été également portées, afin de souligner l’analogie entre combustion et alimentation, dont nous parlerons à la fin de ce chapitre).

bois 4 000
lignite 6 000
anthracite 8 000
charbon de bois 7 000
fuel 10 000
alcool à brûler 5 000
gaz de ville 9 000
hydrogène 30 000
lait demi-écrémé 450
choucroute 1 000
cassoulet 2 000
saucisse de Strasbourg 3 300
céréales 3 800
biscottes 4 000
beurre 7 200
Petit salé aux lentilles 1 300
(cet aliment contient 75 % d’eau, par conséquent sa valeur calorifique lorsqu’il est sec est d’environ
5 200 kcal/kg)

Aspects matériels

Pour qui veut aller y regarder de plus près, deux difficultés se présentent : il risque de se brûler et ne peut, en outre, tout observer, les événements se déroulant trop vite !
Une très belle expérience de Michael Faraday illustre bien la méthode expérimentale : au lieu d’aller dans la flamme, on y envoie un observateur chargé de nous renseigner. On prépare un tube de verre coudé dont on fait descendre verticalement une extrémité dans la flamme ; de cette manière, on prélève – en le déviant – le flux gazeux et on le soustrait à la suite des événements. On aura ainsi « arrêté » le phénomène à un certain stade de son déroulement. Cette technique, bien connue pour l’élaboration de l’acier, s’appelle le trempage. Le résultat obtenu est différent selon que l’on fait arriver l’ouverture du tuyau de verre dans le cône sombre ou dans le haut brillant de la flamme.

À propos de cette technique, qui illustre le prélèvement d’une fraction de la matière en train de se transformer, il convient de remarquer que si nous en avons profité pour savoir ce qui se passait, ou plutôt ce qui s’était passé jusque-là (autrement dit, pour comprendre l’opération), nous n’en avons pas pour autant arrêté le déroulement de l’opération principale. Dans les fabrications industrielles, où il est avantageux de faire travailler les appareillages en continu – sans les arrêter après chaque opération –, il faut cependant suivre ce qui se passe pour pouvoir agir sur certains paramètres : température, vitesse d’écoulement, etc. Ces informations sont obtenues grâce à des capteurs placés dans le flux réactionnel qui mesurent la température, la composition, etc., du flux qui passe près d’eux. Elles sont ensuite transmises à des consoles dans une salle de commande d’où l’on peut conduire les opérations.

Si la bougie brûle bien, elle ne fait pas (ou peu) de charbon (cf. l’expérience ci-dessous). Mais alors, que fait-elle ? Pour le savoir, il faut examiner les gaz qui s’élèvent au-dessus de la flamme. Une première indication est donnée par la formation de buée au contact d’une paroi froide, par exemple le fond d’un ballon rempli d’eau glacée. On a pu déterminer qu’en brûlant, un litre d’huile donne à peu près un litre d’eau, ce qui est loin d’être négligeable. La combustion de quelques décigrammes de cire ne donnera évidemment pas beaucoup d’eau et celle-ci sera difficile à repérer, en particulier à cause du dépôt de charbon noir. Néanmoins, si l’on fait passer le flux gazeux dans un tube en U refroidi extérieurement par de la glace, on voit – si l’on attend suffisamment longtemps – se condenser de l’eau. En déterminant ses propriétés physiques ou chimiques, on peut prouver qu’il s’agit bien d’eau.

Dans le cône sombre, quand le tuyau s’est échauffé, une fumée blanche sort à l’autre bout (figure de gauche). Si on la fait arriver dans un récipient froid, on voit alors se condenser une sorte de cire. (Quand le tuyau n’est pas encore chaud, cette cire se condense à l’intérieur et on ne voit rien sortir. On peut même l’allumer et faire apparaître une deuxième flamme.) D’ailleurs, quand on éteint une bougie, on aperçoit une fumée blanche qui s’élève de la mèche noire. Si l’on approche une flamme du haut de cette colonne de fumée, on peut rallumer la bougie à distance : cette « fumée » est en fait de la vapeur de cire. La mèche sert à vaporiser la cire, qui brûle bien mieux à l’état gazeux qu’à l’état solide ou même liquide, le contact avec l’air indispensable à la combustion étant bien meilleur.

Si, maintenant, on fait arriver le bas du tuyau de verre dans la partie supérieure brillante de la flamme, le résultat est très différent : cette fois-ci, c’est une fumée noire qui sort à l’autre bout du tuyau (figure de droite, ci-contre). Cette fumée est constituée de particules de charbon – on peut s’en rendre compte en regardant au plafond ou sur le fond d’un ballon plein d’eau froide qu’on aura présenté à ce flux gazeux. Quand ces particules sont dans la flamme, elles deviennent, par chauffage, autant de points lumineux, et elles sont tellement nombreuses qu’elles apparaissent comme une flamme continue. Ces points lumineux sont analogues aux étincelles qu’on voit se former au-dessus d’un feu de bûches. On peut en produire en projetant, dans une flamme chaude, de la poudre de lycopode (ou de charbon ou de fer), dont les grains deviendront autant de sources de lumière. Tous les corps chauffés à haute température deviennent lumineux (ne dit-on pas couramment chauffer au rouge sombre, au rouge vif, à blanc ?). C’est le principe même des anciens becs de gaz, dans lesquels un manchon de céramique était chauffé au gaz, ou actuellement de nos ampoules électriques dites à incandescence, dans lesquelles un filament de tungstène est chauffé par le courant électrique.
La transformation de la cire en charbon n’est pas un phénomène isolé. Tout le monde connaît la couleur que prend une tarte aux pommes (beaucoup) trop cuite. On fabrique le charbon de bois en chauffant du bois avec une quantité insuffisante d’air pour qu’il se consume complètement ; cette opération s’appelle la carbonisation. Dans le fonctionnement normal de la bougie, ces grains brûlent presque entièrement lors de leur trajet vers le haut de la flamme, sauf si le rapport vapeur de cire/air disponible devient trop grand. La bougie se met alors à fumer et il faut couper un peu de mèche pour réduire l’arrivée de cire.



 

La cire, comme les produits dérivés du pétrole, est constituée principalement d’hydrocarbures formés par du carbone et de l’hydrogène, dans les proportions approximatives de 12 g de carbone pour 2 g d’hydrogène, ce qui correspond aux proportions atomiques (un atome de carbone pour deux d’hydrogène). Cet hydrogène, libéré par la chaleur, s’est combiné à l’oxygène de l’air pour fournir l’eau. On sait qu’une molécule d’eau est formée de deux atomes d’hydrogène attachés à un atome d’oxygène, ce qui lui fait attribuer la formule H2O (2 g d’hydrogène et 16 g d’oxygène sont nécessaires à la formation d’une mole d’eau [schéma ci-contre]).

 


en noir = atome de carbone ; en rouge = atome d’oxygène ; en blanc = atome d’hydrogène.
Modèles de molécules : eau = H2O ; gaz carbonique = CO2 ; hexane = C6H12.

Pour mettre en évidence le gaz carbonique, on utilise de l’eau de chaux. Celle-ci est obtenue à la suite d’un certain nombre d’opérations : par chauffage au rouge du calcaire (craie) dans les fours à chaux, le gaz carbonique se dégage ; reste la chaux vive, utilisée en particulier dans le bâtiment (CO3Ca donne CO2 + CaO). Elle est ainsi dénommée car, si on y ajoute de l’eau, le mélange chauffe. On obtient alors la chaux éteinte. Celle-ci est un peu soluble dans l’eau. Une bouillie faite avec de l’eau s’appelle lait de chaux (on l’utilise pour peindre en blanc les murs des maisons). Si l’on filtre cette bouillie, on obtient une solution limpide d’eau de chaux de concentration d’environ 1,3 g/l (cf. la figure ci-contre à gauche). C’est donc elle qui va nous permettre de mettre en évidence la présence de gaz carbonique. En effet, si on fait barboter un gaz contenant du CO2 dans cette solution limpide, elle se trouble immédiatement, car il se reforme du carbonate de chaux (craie), très peu soluble. Les gaz qui montent de la bougie ont cette propriété et on peut confirmer qu’il s’agit bien du dioxyde de carbone (cf. la figure ci-contre à droite).

 

Nous avons pu constater que du carbone se formait dans la flamme. Cependant, la majeure partie du carbone présent dans la cire est transformée en gaz carbonique, qu’on appelle aussi dioxyde de carbone (chaque atome de carbone étant attaché à deux atomes d’oxygène, on le représente par la formule CO2 linéaire). Il faut le distinguer du monoxyde de carbone CO, qui se forme dans les combustions avec un défaut d’air, peut encore brûler et est surtout très toxique.
Le dioxyde de carbone n’est pas toxique, mais n’entretient pas la combustion. Il est beaucoup plus lourd que l’air. S’il se liquéfie assez facilement sous faible pression, il n’est que faiblement soluble dans l’eau. On l’emploie dans les extincteurs dits « à neige carbonique » : quand on ouvre une de ces bouteilles métalliques contenant ce gaz liquéfié sous pression, la sortie du flot de gaz provoque un refroidissement considérable qui fait se solidifier une partie du produit sous forme de cristaux blancs.

Vous pouvez également traiter la craie avec du vinaigre pour en séparer le gaz carbonique : le dégagement gazeux sera, là aussi, observable. De même, pour fabriquer un CO2 propre à la consommation pour les boissons gazeuses, on met en suspension, dans de l’eau, du bicarbonate de sodium pur et on y ajoute de l’acide citrique (tous deux achetés en pharmacie) pour obtenir de la limonade. Suivant les concentrations, le gaz carbonique reste dissous dans l’eau ou se dégage en « faisant des bulles ». Si vous « versez » le gaz lourd qui se forme sur la flamme d’une bougie, vous la verrez s’éteindre.

 


La teneur en CO2 de l’air normal « pur » est de 3 pour 10 000, mais, dans l’air insuffisamment renouvelé, elle peut monter à 0,1 % c’est-à-dire 10 pour 10 000. De nos jours, notre mode de vie moderne nous conduit à brûler d’énormes quantités de combustibles carbonés et, par conséquent, à produire aussi naturellement d’énormes quantités de ce CO2. On le rend responsable – au moins partiellement – de l’« effet de serre », par lequel la température de l’atmosphère terrestre s’élève. Cela pourrait s’avérer dangereux si les calottes polaires se mettaient à fondre…
Cette teneur en CO2 est, en temps « normal », maintenue à peu près constante, en particulier par l’intermédiaire des plantes vertes. Celles-ci peuvent, grâce à l’énergie lumineuse, transformer le gaz carbonique en oxygène et en carbone sous une forme utilisable pour leur croissance. On appelle ce phénomène le « cycle du carbone ».

Résumons ce que nous avons appris sur les chandelles par l’observation et un peu d’expérimentation :
Un peu de l’énergie produite par la combustion sert à fondre la cire. La mèche sert à pomper la cire fondue jusque dans la flamme. Dans le bas de la flamme (partie foncée), cette cire est vaporisée et la vapeur va être pyrolysée pour donner du carbone et de l’hydrogène. Les granules de carbone chauffés donnent la lumière, puis sont oxydés en dioxyde de carbone. L’hydrogène de la stéarine se combine à l’oxygène de l’air pour former de l’eau.

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