Combustion

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

Triangle du feu

La réaction chimique de combustion ne peut se produire que si on réunit trois éléments : un combustible, un comburant, une énergie d'activation en quantités suffisantes. On représente de façon symbolique cette association par le triangle du feu. De la même manière, la combustion cesse dès qu'un élément du triangle est enlevé.

Le combustible peut être :

• un solide formant des braises (bois, papier, carton, tissu, PVC, …)  ;
• un liquide ou solide liquéfiable (essence, gazole, huile, kérosène, polyéthylène, polystyrène, …)  ;
• un gaz (butane, propane, méthane, dihydrogène, …)  ;
• un métal (fer, aluminium, sodium, magnésium, …).

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

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 on souffle sur un feu de bois, cela l'active (on apporte plus d'air). Dans certains chalumeaux, on apporte du dioxygène pur pour perfectionner la combustion.

Dans certains cas très spécifiques (fréquemment 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).

Le plus fréquemment, la réaction est déclenchée par une énergie d'activation. Il s'agit le plus souvent de chaleur. Par exemple, ce sera l'allumette qu'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 apporter l'énergie d'activation : électricité, radiation, pression… qui permettront systématiquement une augmentation de la température. La production de chaleur autorise la réaction de s'auto-entretenir dans la majorité des cas, voire de s'augmenter en une réaction en chaîne. La température où un liquide émet suffisamment de vapeurs pour former avec l'air un mélange inflammable dont la combustion peut s'entretenir d'elle-même est appelée point d'inflammation.

Il existe cependant des cas où le facteur déclenchant la combustion n'est pas l'énergie d'activation. Par exemple, l'explosion de fumées est une combustion très violente des gaz imbrûlés présents dans les fumées (voir § Incomplète ) provoquée par un apport tout à coup d'air, par conséquent de comburant. L'intervalle dans lequel le mélange air/gaz pourra brûler est borné par les limites d'explosivité dans l'air. Cet intervalle peut mesurer de quelques pour cent (kérosène) à plusieurs dizaines de pour cent (acétylène).

Différents types de combustion

Rapide

La combustion rapide est une forme de combustion durant 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 interne 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 : cette lenteur dûe à des enzymes spécifiques permettent d'augmenter les réactions d'oxydoréduction et ainsi d'obtenir un très bon rendement par récupération d'une grande partie de l'énergie.
• La formation de la rouille est aussi une réaction lente.

Complète

Lors d'une combustion complète, le réactif brûlera en présence de dioxygène (comburant), ce qui limite les produits de la réaction. Lorsque un hydrocarbure brûle dans le dioxygène, les produits sont ainsi seulement du dioxyde de carbone et de l'eau. (douce ou dure)

Lorsque des éléments comme le carbone, l'azote, le soufre, et le fer sont brûlés, on remarque la production des oxydes les plus communs.

Réactif	Produit
Carbone	Dioxyde de carbone
Azote	Dioxyde d'azote
Soufre	Dioxyde de soufre
Fer	Oxyde de fer (III)

Chaude

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

=Incomplète

La combustion incomplète a lieu lorsque il n'y a pas suffisament d'oxygène pour permettre au combustible (fréquemment un hydrocarbure) de réagir totalement avec le dioxygène pour produire du dioxyde de carbone et de l'eau. Lorsque 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 également 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 (cf intoxication au Monoxyde de carbone) 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), …

L'eau peut avoir deux rôles différents :

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 étouffe par conséquent le feu en chassant l'air ;
2. dans le cas d'une atmosphère prémélangée, on ne peut pas séparer le combustible du comburant, l'unique action possible consiste à refroidir l'atmosphère pour empêcher la flamme de se propager (la vapeur d'eau joue aussi un rôle de diluant).

Approche chimique

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 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 fréquemment 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 par conséquent pris en compte de manière spécifique pour l'évaluation du pouvoir calorifique, et 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 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 PCS = PCI + m·L_v.

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 par conséquent 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 forme par conséquent 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 jusque là 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, c'est une réaction chimique entre deux solides ;
• combustion à haute température et forte concentration de dioxygène : quand le métal est chauffé très fort et qu'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 par conséquent rapide et la chaleur dégagée importante ; c'est un phénomène semblable au coup de poussière.

Application en astronautique

La combustion est utilisée dans le domaine de l'astronautique pour apporter 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.

Références

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

Les mots de la combustion, dictionnaire des termes couramment utilisés en combustion établi par le Groupement Français de Combustion

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) Combustion spontanée Gazéification

Notes

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 13/11/2008.
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