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Combustion et combustibles - noncs des exercices page 1

Exercices sur les combustions et les combustiblesEnoncs

Exercice n 1: (revoir la nomenclature des alcanes)1 question:

a) crire les formules semi-dveloppes des alcanes suivants :

le n-hexane le 2-mthylpentane le 2,2-dimthylbutane

b) Sont-ils des isomres ? Justifier la rponse.

2 question: On admet, pour simplifier, quune essence est constitue dun mlange de plusieurs alcanes ayantchacun pour formule : 6 14C H .

crire lquation bilan de combustion complte de cette essence.

3 question: Lessence prcdente a un pouvoir calorifique de

1

4200 kJ.mol

et une masse volumique de3750 kg.m .

Une voiture consomme en moyenne 8 litres de cette essence pour rouler 100 km.

a) Calculer la chaleur fournie par la combustion de lessence lors dun parcours de 100 km.

b) En supposant la combustion complte, calculer le volume de dioxyde de carbone rejet lors du parcours de100 km.

c) Commenter.

Donnes:

Volume molaire des gaz, la temprature de fonctionnement du moteur : 1mV 24 L.mol=

Masses molaires atomiques : 1M (H ) 1 g.mol = ; 1M (C ) 12 g .mol =

Rponses partielles: 3) a) 5Q 2,9 10 kJ ; b)2

4COV 10 L

Exercice n 2:

Les donnes ncessaires la rsolution de lexercice sont donnes en fin dnonc.

Le brleur dun appareil de chauffage utilise un mlange {air + butane}.

1 question: Parmi les formules chimiques ci-dessous, choisir celle correspondant au butane.

2 question:

a) crire lquation-bilan de la combustion complte du butane.

b) Calculer le volume2O

V de dioxygne ncessaire la combustion complte de 3bV 1 m= de butane.

c) En dduire le volume dair airV correspondant ( air stchiomtrique )

3 question:

Le dbit volumique du mlange stchiomtrique {air + butane} de ce brleur est3

d 25 m / h= .

CH4 C2H2 C3H8 C4H8 C4H10
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a) Quel est le consommation horaire de butane ?

b) Quelle est la puissance thermique thorique thP de ce brleur ?

Remarque: Leau forme nest pas condense ; elle est ltat vapeur.

c) Quel volume fV de dioxyde de carbone et de vapeur deau doit-on extraire de la chaufferie par heure de

fonctionnement ?

d) Quelle puissance thorique maxP obtiendrait-on si leau tait entirement condense au niveau de la

chaudire ?

e) Quelle masse deau eaum devrait-on recueillir en une heure ?

Donnes:

Tous les volumes sont mesurs dans les conditions normales de temprature et de pression.

Le brleur est suppos tre parfaitement rgl.

Volume molaire, dans les conditions normales de temprature et de pression : 1m mol.L4,22V =

Lair contient, en volume, 21 % de dioxygne environ.Pouvoir calorifique infrieur du butane commercial : 1PCI 2659 kJ .mol (leau ntant pas condense).

Pouvoir calorifique suprieur du butane commercial : 1PCS 2876 kJ .mol

Masse molaire de leau : 12M( H O) 18 g.mol=

Rponsespartielles :

2) b)2

3OV 6,5 m= ; 3) a)

3 10,78 m .h ; 3) b) thP 25,8 kW ; 3) c)3

fV 7,04 m

3) d) maxP 27,9 kW ; 3) e) eaum 3,14 kg

Exercice n 3: tude de risques lis lutilisation de loxyde,dthylne

Loxyde d'thylne est utilis dans de nombreuses industries chimiques comme matire premire pour lafabrication de produits dentretien, de peintures, de lubrifiants... Cest un gaz incolore, neurotoxique et irritant.

Loxyde dthylne a pour formule brute 2 4C H O .

1 question: Ce gaz, comprim sous 51P = 1,25 10 Pa est stock 15 C dans une cuve cylindrique situe

dans un atelier de fabrication dune usine de peinture.

Donnes:

Dimensions de la cuve de stockage : Hauteur : 1H 3 m= ; diamtre : 1D 1,5 m=

Dimensions de latelier de fabrication : Longueur : 2L 10 m= ; Largeur : 2 6 m=l ; Hauteur : 2H 5 m= .

a) Quel est le volume de la cuve de stockage ?

b) En considrant que loxyde dthylne est un gaz parfait, calculer le nombre de moles contenu dans la cuvede stockage.

On donne la constante des gaz parfaits : 1 1R 8,314 J.mol .K =

c) Quel volume loxyde dthylne occuperait-il dans les conditions de temprature et de pression

suivantes : 20 C et 52

P = 1,0 10 Pa ?

d) Quel pourcentage (exprim en ppm) reprsente ce volume par rapport au volume de latelier ?


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2 question: Mal referme, la cuve laisse entirement chapper loxyde dthylne dans latelier de fabrication.

Latelier se trouve 20 C sous la pression 52P =1,0 10 Pa .

On donne pour loxyde dthylne :

sa limite infrieure dexplosivit avec lair : L.I.E. = 3 %

sa limite suprieure dexplosivit avec lair : L.I.S. = 100 %

Y a-t-il explosion ? Commenter.

3 question : Des employs doivent intervenir pour une rparation dans cet atelier. On appelle VLE(Valeur Limite dExposition) la concentration dune substance toxique au del de laquelle des problmes de

sant peuvent survenir. Pour loxyde dthylne : 3 3V.L.E. 10 cm .m = .

En considrant que le mlange est homogne, calculer la concentration molaire doxyde dthylne danslatelier. Conclure.

Rponses partielles:

1) a) 31V 5,3 m ; 1) b) n 277 mol ;3

2V 6,7 m ; 3) a) non

Exercice n4:

Un brleur gaz ralise un mlange de trois volumes dair avec deux volumes de gaz de ville.

1 question: Dterminer les proportions en volume des constituants puis les proportions en moles.

2 question:

a) Exprimer la masse molaire apparente du mlange en fonction des proportions en masse et des massesmolaires des constituants.

b) Exprimer la masse molaire apparente du mlange en fonction des proportions en volume et des massesmolaires des constituants.

c) En dduire la constante mr du mlange.

3 question: Quelles sont les proportions en masse du mlange ?

4 question: Quelle est la masse volumique du mlange, C20 et sous la pression de 990 mbar ?

Donnes: * 1 1gazr 615 J.kg .K = et 1 1airr 287 J.kg .K

=

Rponses:

2) c) 1 1mr 365 J.kg .K = ; 3) 23,7 % de gaz de ville et 76,3 % dair ; 4) 30,93kg.m


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Exercice n 5: Combustion dun alcane

On tudie la combustion complte de loctane de formule brute 8 18C H , constituant essentiel du carburant des

moteurs essence.

Donnes:Masses molaires atomiques : 1M( C) =12,0 g.mol 1M(H)=1,0g.mol 1M(O ) =16,0 g.mol

Oxyde d'thylne

Structure de l'oxyde d'thylneGnral

Nom IUPAC oxirane

N CAS 75-21-8Apparence gazincolore

Proprits chimiques

Formule brute C2H4O [Isomres]Masse molaire 44,052641 gmol-1

Proprits physiques

T fusion 161 K(-112,1 C)T vaporisation 283,5 K(10,4 C)Solubilit Miscible avec l'eauMasse volumique 0,899 g/cm3T d'auto-inflammation 429 CPoint d'clair -55 CLimites d'explosivit dans l'air 3-100%

Thermochimie

S0

gaz, 1 bar 243 J/molKS0liquide, 1 bar 149,45 J/molKfH0gaz -52.6 kJ/molfH0liquide -96 kJ/molCp 86.9 J/moleK(liquide)

Prcautions

Signalisation CEcancrigne

Transport263

1040

Inhalation irritation des poumons, convulsionsYeux dangereux

Units du SI& CNTP, sauf indication contraire


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Masse volumique de loctane liquide : 3=750kg.m

1 question : Ecrire lquation de la combustion complte de loctane et donner le nom des produits de laraction.

2 question : Le carburant, ltat liquide dans le rservoir, est vaporis et mlang avec lair avant dtreintroduit dans les quatre cylindres dun moteur essence quatre temps.

Au cours dun essai vitesse de rotation constante, la puissance mcanique utile de ce moteur est gale uP = 16 kW. Son rendement est de 30 %.

a) Calculer la puissance aP fournie par la combustion dans le moteur.

b) En dduire lnergie, exprime en joules, consomme en une heure de fonctionnement.

c) Le pouvoir calorifique de loctane vaut 3 1cP 5,0 10 kJ.mol= . Vrifier que la consommation horaire de

carburant vaut 138 mol.h .

3 question: On place le moteur sur un banc dessais, afin de dterminer la masse de dioxyde de carbone rejetdans latmosphre au cours de la combustion. Lessai dure 2 min.

a) Calculer la quantit de matire doctane (en mol) consomm au cours de cet essai.b) En dduire la quantit de matire de dioxyde de carbone mis.

c) Les mesures ralises aboutissent une masse de 450 g de dioxyde de carbone mis. Montrer que cette valeurest conforme au rsultat obtenu la question 3 b).

Exercice n 6: Combustion complte dun mlange dhydrocarbures

On tudie la combustion complte dun gaz dont la composition, en volume, figure ci-dessous :

%80 de mthane )HC( 4

20 % dactylne )HC( 22 1 question:

a) crire les quations-bilans des combustions compltes du mthane et de lactylne.

b) Expliquer ce que lon pourrait obtenir si la combustion de ce gaz tait incomplte.

2 question: Calculer le volume de dioxygne ncessaire la combustion complte dune mole de ce gaz ? Endduire le volume dair stchiomtrique .

3 question: Un gaz contenant plusieurs hydrocarbures peut se ramener, du point de vue de la combustion, un compos gazeux de formule yx HC avec :

tconstituanchaquedecarbonedeatomes'dnombrexi

i=

tconstituanchaquedehydrogne'datomes'dnombreyi

i=

i : fraction molaire (ou volumique) du constituant i dans le mlange.

a) Calculer x et y.

b) crire lquation-bilan de la combustion complte du compos de formule yx HC et retrouver les rsultats

de la 2 question.

4 question: Ce gaz combustible est brl avec un excs dair de 20 %.

a) Calculer le volume dair employ, dans ces conditions, pour la combustion complte dune mole de ce gaz.


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b) Quel est le volume gazeux obtenu en fin de raction (leau est sous forme de vapeur) ?

c) Quelle est la composition, en volume, de ces fumes ?

d) En dduire la densit d de ces fumes par rapport lair.

Donnes:

On considre les gaz comme parfaits.

Lair contient, en volume : dioxygnede%8,20 ; diazotede%2,78 ; argond'%0,1

Les volumes seront toujours rapports aux conditions normales.

Rponses:

3) a) 2,1x= et 6,3y= 4) a) L271Vair 4) b) L292Vf

c)

Constituant 2OC 2N Ar OH 2 2O

9,2 % 72,8 % 0,9 % 13,8 % 3,2 %

d) 97,0d

Exercice n 7 : Le bec Bunsen (modle courant) peut fournir une nergie calorifique de 4500 kJ par heure.

Calculer, en 3m / h , le dbit volumique du gaz et le volume dair admis par la virole, suivant que lappareil est

aliment

en gaz naturel (mthane)

en butane

en propane

Donnes: La formule gnrale des alcanes est n 2 n 2C H +

Lnergie calorifique fournie par la combustion complte dune mole dhydrocarbure est de laforme : Q( en kJ ) 210 664 n= +

Volume molaire : 1mV 25 L.mol=

On admet que la puissance du bec reste constante quelle que soit la nature du gaz alimentant le brleur.

Rponses: mthane : 3D 0,13 m / h ; butane : 3D 0,04 m / h ; propane : 3D 0,05 m / h

Exercice n 8 : Combustion et chauffage

On a schmatis sur la figure ci-dessous la chambre de combustion dune chaudire gaz destine chaufferleau circulant avec un dbit volumique q constant

( 1q 50 L.min = ) dans un tuyau qui traverse la chambre

considre comme une enceinte adiabatique. Les produitsde la combustion du gaz sont vacus par un conduitsuprieur.

eau

Chambre decombustion

mthane+ air

fumes


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A - Combustion

Le gaz utilis est du mthane, de formule chimique 4CH . Le rglage du dbit darrive dair est tel quil est

apport la quantit juste ncessaire dair pour assurer la combustion complte du mthane.

Lquation de la raction de combustion est alors la suivante :

4 2 2 2 2 2CH + 2 (O + 3,95 N ) x CO + y H O + z N

1 question : Comment se nomme llment chimique reprsent par le symbole N ? Dans quelle proportion

2N est-il prsent dans lair sec que nous respirons ?

2 question : Dans cette combustion, quel est le combustible, quel est le comburant et quelle condition laraction peut-elle dmarrer ?

3 question : Dterminer les valeurs numriques des coefficients x, y, z apparaissant dans lquation de lacombustion.

4 question : A quelle famille appartient le mthane 4CH ? Proposez un autre compos de cette famille, endonnant son nom et son utilisation.

5 question : Pour une mole de mthane (gaz), combien faut-il de moles dair pour assurer la combustion dansles conditions dfinies par lquation ci-dessus ?

Quelle est alors la masse de dioxyde de carbone produite pour une mole de mthane brle ?

Donnes: Masses molaires : 1C:12g.mol ; 1O:16g.mol .

On suppose que le mthane utilis entre dans la chambre de combustion en tant dans les conditions normales

de temprature et de pression 5(273,15 K et1,013 10 Pa) . Dans ces conditions, en lassimilant un gaz

parfait, son volume molaire vaut : M1V = 22,4 L .mol .

6 question : Si le volume annuel de gaz utilis pour cette combustion vaut 3V =10000 m , quelle est la masse

totale annuelle M de dioxyde de carbone rejete dans latmosphre via le conduit de chemine ?

Quels problmes environnementaux particuliers prsentent ces rejets de 2CO ?

7 question : La combustion est une raction exothermique.

a) Que signifie exothermique ?

b) Le pouvoir calorifique infrieur (PCI) du mthane vaut : 39,96 kWh. Nm .

Donnes:

3 31 Nm 1normal m= : cest un volume de 31 m de gaz, volume mesur dans les conditions normales de

temprature et de pression 5(273,15 K et1,013 10 Pa) .

Vrifier que lnergie produite par la raction ci-dessus correspondant la combustion dune mole de 4CH vaut

environ 1800 kJ.mol .

8 question : Lorsque la combustion se fait avec un dfaut dair donc un dfaut de dioxygne, il apparat dansles produits de la raction un nouveau compos gazeux. Donner son nom et sa formule chimique. Que dire de cegaz ?

9 question : Lorsque le dfaut dair est important, il apparat des suies. Quel lment chimique correspond ces suies ; donner son symbole chimique.


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B - Chauffage

1 question : Le dbit en mthane du brleur gaz vaut 3 1G = 5 Nm .h et le pouvoir calorifique infrieur du

mthane vaut : 3P.C.I. = 9,96 kWh.Nm .

Que vaut le flux thermique , exprim en watt, apport par le brleur ?

2 question : Le flux thermique perdu par les fumes est not ' . Le flux thermique transfr leau

circulant dans le tuyau vaut 34800 W. Quelle est la valeur du flux ' , si lon nglige toutes les autres pertes ?

3 question : La capacit calorifique massique de leau c vaut 1 14,18 kJ.kg .K . On rappelle que le dbit

volumique dans le tuyau vaut 150 L.min .

Calculer laugmentation de temprature T de leau lors de la traverse de la chambre de combustion.

Donne: masse volumique de leau : 31000 kg.m = .

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