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Cours de combustion 1ire partie NotionsI Rappels sur la structure de la matire et les forces naturelles I-1 Gnralits Toute matire (gaz, liquide ou solide) est constitue datomes. Latome est compos de protons, de neutrons et dlectrons. Les neutrons sont lectriquement neutres, les protons sont chargs positivement : ils constituent le noyau. Ils ont tous les deux la mme masse. Les lectrons chargs ngativement tournent autour du noyau et sont attirs par les charges positives des protons. Ils sont beaucoup plus lgers que les protons et sont en gnral en nombre identique aux protons pour que latome ou la molcule soit lectriquement neutre. Leurs orbites sont disposes en couches ayant un nombre dlectrons toujours identique saturation (2 sur la premire, 8 sur la seconde et troisime, 18 sur les 4ime et 5ime ). Lorsquune couche est sature, on commence remplir la couche immdiatement suprieure. Dans le tableau ci-dessous appel tableau priodique les atomes ou lments chimiques sont classs de telle manire que dans la mme ligne on retrouve les lments ayant le mme nombre de couches et dans la mme colonne les lments ayant le mme nombre dlectrons sur la couche extrieure, ce qui leur confre des proprits chimiques voisines.

Dans chaque case, le nombre de gauche est le nombre de protons appel numro atomique et celui de droite est la masse atomique. Les atomes sont rarement seuls (sauf les gaz rares ou inertes dont la couche lectronique extrieure est sature) car, dans ce cas, cet tat nest pas stable pour deux raisons:

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- soit, ils ne sont plus lectriquement neutres (on dit ioniss) comme cest le cas par exemple dans les gaz haute temprature (plasma, panaches luminescents de chalumeaux, colonne darc lectrique). - soit, leur couche lectronique extrieure nest pas sature (radicaux libres des combustions). Ils tendent alors la saturer pour retrouver un tat stable comme les gaz inertes en partageant des lectrons avec un autre atome. On appelle cet tat une liaison de covalence.

Ces atomes sont donc, en gnral, regroups pour former des molcules (ou des cristaux dans le cas dun solide). Un corps compos de molcules toutes identiques est un corps pur. Un corps simple est un corps pur o les molcules sont formes dune seule sorte datomes.

Corps pur

Corps simple

Mlange

Les quantits reprsentes ci-dessus sont trop faibles pour lchelle macroscopique. On multiplie ces quantits par le nombre dAvogadro 6,023.1023 ainsi chaque molcule reprsente une mole. Pour les gaz, une mole occupe 22,4l sous les conditions normales de pression et de temprature (0C,1atm).

I-2 Quelques ordres de grandeur :

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Le diamtre de latome est de lordre de 10-10m (1Amstrm), le noyau est environ 10000 50000 fois plus petit, le proton et llectron ont un diamtre du mme ordre que le noyau (environ 2.10-15m). Le rapport des diamtres de latome et du noyau est du mme ordre que le rapport de lorbite de la terre et de celui du soleil : la matire est essentiellement compose de vide ! Dans les gaz, la vitesse de dplacement des molcules est de lordre de 700m/s et la vitesse des lectrons autour du noyau de lordre de 3000km/s. La densit du noyau est de lordre de 400000t/mm3. Dans les gaz, la distance intermolculaire est de lordre de 30Amstrm dans les conditions normales (0C, 1atm.) et de 3Amstrm pour les liquides et les solides. Donc la masse volumique des gaz est de lordre de 1kg/m3 et les forces intermolculaires sont faibles alors que celle des liquides et des solides est de 1000kg/m3 et les liaisons intermolculaires sont trs fortes de sorte que les liquides sont incompressibles et les solides indformables contrairement aux gaz. Les forces naturelles microscopiques qui sexercent au niveau de latome sont de trois sortes : nuclaires, lectrostatiques ou interatomiques et intermolculaires. On les exprime en J/mole : cest lnergie quelles librent sous forme de chaleur ou de rayonnement au cours de leur rupture. -Les forces nuclaires sont les forces de cohsion du noyau. Elles interviennent au cours dune raction nuclaire de fission ou de fusion. Leur ordre de grandeur est de 1013J/mole. - Les forces lectrostatiques interatomiques (cohsion de la molcule) interviennent au cours dune raction chimique. Ce sont celles qui nous intressent dans ce cours. Lordre de grandeur est de 5.105J/mole (20 millions de fois plus faibles que les forces nuclaires). - Les forces intermolculaires rgissent les changements de phase. Nous les avons tudis dans les cours prcdents, leur ordre de grandeur est de 5.104J/mole. II Equations chimiques globales II-1 Dfinitions, rappels Une raction chimique est une transformation qui intervertit les liaisons chimiques sans changer la nature des atomes

Avant -stable

Aprs +stable

Le nombre des atomes de chaque espce se conserve donc et par voie de consquence la quantit de matire aussi : mavant=maprs. Pour dcrire ce processus, on se sert des quations chimiques qui transcrivent sous forme mathmatique la ralit prcdente. Si

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4 par exemple est un atome de carbone C et raction prcdente : 3C+1O+1OO est un atome doxygne O, on crit pour la

1COO+1C+1CO Ou, 3C+O+O2 CO2+C+CO

Comme nous lavons dit, chaque quantit lmentaire sadresse une mole. Lquation prcdente est lquation chimique globale : elle ne nous explique pas le mcanisme de la raction mais dcrit seulement les compositions avant et aprs raction. Une tude plus fine montre quil existe une succession de ractions lmentaires : la combustion est en fait une raction en chaine . Nous verrons dans la deuxime partie de ce cours le mcanisme des ractions en chaine. Equilibrer une quation chimique consiste faire en sorte que lon retrouve le mme nombre datome de chaque espce de part et dautre de la flche. Exemple : On veut quilibrer :H2+O2 H2O On vrifie pour H : cest correct par contre il ya deux fois trop de O dans le premier membre donc finalement :H2+1/2O2 H2O : cest quilibr. Un mlange ractif est dit stchiomtrique si les proportions de ce mlange sont telles que toutes les molcules de ractant sont susceptibles de se transformer en produit de raction complte, c'est dire les plus stables (dgagement de chaleur maximum) Exemple : C + 2 02 C02 + 02 il y a trop d'oxygne 2 C + 02 C02 + C il y a trop de carbone C + 02 C02 la raction est stchiomtrique

Le problme revient quilibrer la raction complte (appele aussi neutre), donc connatre tout d'abord les produits de la raction complte des ractifs donns. Pour ce qui nous concerne, nous ne nous intresserons qu' la raction du carbone et de l'hydrogne avec l'oxygne, dont les produits les plus stables sont le gaz carbonique CO2 et l'eau H20, mais il existe de nombreux autres produits possibles dont le plus courant est le monoxyde de carbone CO. La combustion est une raction vive avec dgagement de chaleur. Nous n'tudierons que la combustion des hydrocarbures (molcules formes d'atomes de carbone et d'hydrogne), avec de l'oxygne ou de l'air (de composition chimique moyenne 02+3,77N2). II-2 Dosage: Pour caractriser un mlange combustible-comburant, on compare toujours sa composition la composition stchiomtrique, Envisageons la combustion complte d'un hydrocarbure de formule chimique fictive CxHy dans l'oxygne: CxHy + O2 CO2 + H2O Equilibrons lquation :

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5 CxHy. + (x + y/4) O2 x CO2 + (y/2) H2O

La composition molaire du mlange stchiomtrique est donc de : une molcule de CxHy pour (x + y/4) d'oxygne. Le pouvoir comburivore est le rapport : quantit de comburant sur quantit de combustible la stchiomtrie. Il peut, selon le cas, tre exprim en moles, en volume ou en masse. Lorsqu'il s'agit de combustibles gazeux on prfre l'exprimer en volume (voir 2me partie II-2); par contre pour les combustibles liquides, on l'exprime en masse.

na Va Na = , Va = nc stoech Vc stoechVc =nc.V, Va =na.V o V est le volume molaire or toutes les molcules gazeuses occupent le mme volume (Avogadro voir chapitre gaz parfait) donc : Va=Na Pour un combustible liquide: (Ma et Mc sont les masses molaires de lair et du carburant)

na.Ma Ma ma Ma = = = Na Mc mc stoech nc.Mc ma Va Ou aussi : Va = = mc.(a ) mc stoech Normal Ma = en Nm3/kg stoech 1,29

Pour un mlange quelconque, on dfinit la richesse R et le facteur d'air du mlange : na Va ma n V m 1 c rel c rel c rel = = = = R na Va ma n V c stoech c stoech mc stoech Donc :

na 1 nc rel = = = R Na

Va V c rel = Va

ma m c rel Ma

e=-1 est appel excs dairPour la combustion un hydrocarbure simple dans loxygne, on peut donc crire :Na = Va = x + y 2.16 , Ma = Na . 4 12 x + y

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6 La plupart des combustions qui nous intressent sont des combustions d'hydrocarbures dans lair. L'azote ne ragit pas ou peu (voir II-4 2ime partie) avec les autres composants du mlange (appel diluant dans certaines documentations) donc on le retrouve intgralement dans les produits de combustion: CxHy+ (O2 + 3,77 N2) Equilibrons l'quation chimique: CxHy + (x+ y/4) (O2 + 3.77 N2) xCO2 + (y/2) H2O + 3,77 (x +y/4)N2 CO2 + H2O + N2

y donc: Na = Va = 4,77( x + ) 4 y x+ 28,84 4 Ma = Na( ) = 34,39 12 x + y 3x + y 4 Dans le cas des alcanes CnH(2n+2), on obtient : Ma = 34,39 3n + 1 7n + 1

Fig :Pouvoir comburivore des produits de combustion des alcanes dans lair Dans le cas de mlanges complexes (essence, gaz-oil, alcool) on utilise les teneurs pondrales c,h,o(titre massique des substances lmentaires C, H, 0 ...). Exprimons x et y en fonction des teneurs pondrales c et h : x = c/12, y= h et c + h = 1 Donc : Ma = 4,77.28,84( c h c h + ) = 137,6( + ) 12 4 12 4

On peut gnraliser dans le cas des alcools et des carburants soufrs ou azots: c h s o Ma = 137,6( + + ) 12 4 32 32 Christian Guili Novembre 2006

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Exemple:

essence :

c=84% h=16%

Ma=15,1 Ma=15 Ma=13,6

gaz-oil ou fuel domestique : c=85%, h=15% (autre