Chapitres
Les réactions de combustion posent parfois des problèmes (surtout au niveau de l'équilibrage des réactions). Une réaction de combustion classique (du moins au niveau collège/lycée) consiste à "brûler" un composé organique (de formule générale CxHyOz) par de l'oxygène pour donner, dans le cas d'une combustion complète (ce qui est le cas dans tous les énoncés d'exercices sauf indication contraire), uniquement de l'eau H2O et du dioxyde de carbone CO2.
Les transferts thermiques
Ce qu'on appelle transfert thermique en sciences est plus couramment appelé chaleur dans la vie quotidienne. Un transfert thermique correspond à l'un des modes d'échange d'énergie thermique entre deux systèmes. Dans le cas du double vitrage, on parlera du système extérieur et du système intérieur (la maison). Cela correspond à une notion fondamentale de la thermodynamique et, contrairement au travail, les transferts thermiques correspondent à un bilan de transferts d'énergie dits microscopiques et désordonnées. Il est possible de distinguer trois type de transfert thermique, tous pouvant coexister :
- La conduction correspond à la diffusion progressive de l'agitation thermique dans la matière ;
- La convection correspond au transfert thermique qui accompagne des déplacements macroscopiques de la matières ;
- Et le rayonnement qui correspond à la propagation de photons.
Ainsi, la quantité de chaleur, notée Q et exprimée en joule, correspond à la quantité d'énergie qui sera échangée par le moyen de ces trois différents type de transfert. Une convention indique alors que, lorsque Q > 0, on dit que le système reçoit de l'énergie. De plus, il peut être intéressant de retenir que la thermodynamique fait appel au concept de chaleur afin de mettre en place le premier mais aussi de deuxième principe de la thermodynamique. Malgré tout cela, il reste de nombreuses ambiguïtés mais également de nombreuses confusions qui s'entretiennent.
En effet, malgré le sens que l'on accorde à chaleur dans la vie quotidienne, le principe de chaleur au sens thermodynamique du mot n'a aucun lien avec la température. Cependant, il reste vrai que les transferts thermiques spontanées se font toujours du système le plus élevé en température vers le système le moins élevé en température même s'il reste possible de provoquer l'inverse grâce à une machine thermique comme un réfrigérateur. Il est d'ailleurs intéressant de noter que, lorsqu'il y a un changement d'état, le corps pur ne changera pas de température bien qu'il échange de l'énergie sous forme de chaleur.
La thermochimie correspond à une branche de la physique chimie et permet l'étude des différents phénomènes thermiques dans des milieux réactionnels. On peut positionner cette branche, sur le plan disciplinaire, à l'interface entre la chimie et la thermodynamique. En chimie, il existe différents types de réactions : les réactions dites exothermiques et qui dégagent donc de la chaleur et les réactions dites endothermiques qui, quant à elles, absorbent la chaleur. Il est possible de déterminer et mesurer les chaleurs de réactions par calorimétrie à pression constante dans un calorimètre ou encore à volume constant dans une bombe calorimétrique. La bombe calorimétrique, inventée en 1881 par Marcellin Berthelot, est un outil permettant de mesurer le pouvoir calorifique d'une combustible. C'est pour cela que Marcellin Berthelot est considéré comme étant le fondateur de la thermochimie. Même s'il faudra attendre le XXe siècle que la thermochimie se développera considérablement. En appliquant le deuxième principe de la thermodynamique aux systèmes chimiques, il est possible de prévoir le sens des réactions mais aussi le positionnement des équilibres chimiques et ainsi de définir le rendement et la composition d'un système après la réaction.
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Pour comprendre la thermodynamique, il faut connaître les règles qui la régissent
Il est important de noter que le premier et le deuxième principe de la thermodynamique sont les plus importants, mais il peut tout de même intéressant de connaître les deux autres.
Le principe zéro de la thermodynamique
Ce principe concerne la notion d'équilibre thermique. Ainsi, il est à la base de la thermométrie et s'énonce ainsi : si deux systèmes sont en équilibre thermique avec un troisième, alors ils sont aussi ensemble en équilibre thermique.
Le premier principe de la thermodynamique
Egalement appelé principe de la conservation de l'énergie, ce principe affirme que l'énergie est toujours conservée. Formulé autrement, cela signifie que l'énergie totale d'un système isolé reste constante.
Ainsi, les événements qui se produisent au sein du système isolé ne se traduisent donc que par des transformations de certaines formes d'énergie en d'autres formes d'énergie. Puisque l'énergie ne peut pas être produite en partant de rien, elle est présente en quantité invariable dans la nature. Elle ne peut donc que se transmettre d'un système à un autre : on ne crée par l'énergie, on la transforme.
Ce principe est également considéré comme étant une loi générale pour toutes les théories physiques, notamment en mécanique, électromagnétisme ou physique nucléaire puisqu'on ne lui a jamais trouvé la moindre exception même si des doutes peuvent subsister lorsque l'on étudie les désintégration radioactives.
De puis le théorème de Noether, on sait que la conservation de l'énergie est intimement reliée à une uniformité de structure de l'espace-temps. Le premier principe de la thermodynamique rejoint alors le célèbre principe popularisé par Lavoisier : "Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme."
Par exemple, dans les voitures, le moteur permet de transformer de l'énergie thermique en énergie mécanique. Le saviez-vous ?
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Le deuxième principe de la thermodynamique
Egalement appelé principe d'évolution des système, ce principe affirme la dégradation de l'énergie. En effet, l'énergie d'un système passe de façon nécessaire et spontanée de formes concentrées et potentielles à des formes diffuses et cinétiques telles que le frottement ou la chaleur. Ce principe introduit donc également la notion d'irréversibilité d'une transformation et la notion d'entropie.
En effet, d'après le deuxième principe de la thermodynamique, l'entropie d'un système isolé augmente ou reste constante. Souvent interprété comme une mesure du désordre et comme l'impossibilité du passage du désordre à l'ordre sans intervention extérieur. L'interprétation de ce principe se base sur la théorie de l'information de Claude Shannon et la mesure de cette information, également appelée entropie de Shannon.
La principale différence de ce principe avec le premier principe de la thermodynamique est l'origine statique de ce deuxième principe. En effet, les lois microscopiques qui gouvernent la matière ne le contiennent qu'implicitement et de manière statique. Cependant, le deuxième principe de la thermodynamique reste relativement indépendant des caractéristique des lois précédemment citée puisqu'il apparaît même si l'on suppose des lois simplistes à petite échelle.
Le troisième principe de la thermodynamique
Ce principe, quant à lui, est associé à la descente vers un état quantique fondamental d'un système dont la température s'approche d'une limite qui définit la notion de zéro absolu. En effet, en thermodynamique classique, ce principe permet de calculer l'entropie molaire S d'un corps pur par intégration sur la température à partir de S=0 à 0 K dans le but d'établir des tables de données thermodynamiques.
La loi de Laplace en thermodynamique
En thermodynamique, cette loi correspond à une relation reliant la pression et le volume d'un gaz parfait qui subit une transformation dite isentropique ou une transformation dite adiabatique et réversible. Mais cette relation peut également être utilisée avec la température et le volume ainsi que la température et la pression. La loi de Laplace suppose en effet des capacités thermiques constante alors que les capacités thermiques d'un gaz parfait dépend évidemment de la température, il suffit de regarder la loi des gaz parfait. En conséquence, cette loi ne peut être appliquée à des transformation où la variation de la température est peu important. On peut alors considérer que les capacités thermiques sont constantes.
\[ P \times V = n \times R \times T \]
Avec :
- P est la pression d'un gaz (en pascals) ;
- V le volume occupé par le gaz (en m3) ;
- n la quantité de matière (en moles) ;
- R la constante universelle des gaz parfaits (8,3144621 J/K/mol) ;
- Et T est la température (en kelvins).
Les dangers de la combustion
Les intoxications au monoxyde de carbone
Ces intoxications ont souvent lieu l'hiver. Elles sont dues à un mauvais fonctionnement des appareils de chauffage ou à une mauvaise aération. En effet, si un local est trop hermétiquement fermé pour éviter que l'air froid ne rentre, le dioxygène consommé par les combustions n'est pas remplacé. On s'expose alors à deux risques : La quantité de dioxygène dans l'air étant trop faible, les poumons ne peuvent oxygéner suffisamment le sang et donc le cerveau. Ceci peut entraîner une perte de connaissance, voire la mort. La quantité de monoxyde de carbone dans l'air augmente, entraînant une intoxication rapide. Pour supprimer ces deux risques, il faut donc aérer les lieux où sont réalisées des combustions et faire vérifier régulièrement les appareils fonctionnant au gaz.
Les explosions
Dans un brûleur de cuisinière fonctionnant au gaz, la réaction de combustion est contrôlée car le butane et le dioxygène de l'air réagissent au fur et à mesure qu'ils se mélangent. La combustion consomme de petites quantités de réactifs. Les explosions arrivent quand de grandes quantités de réactifs sont mélangées, à la suite d'une fuite de gaz par exemple. Au contact d'une source de chaleur comme une étincelle, la réaction de combustion démarre et dégage instantanément beaucoup de chaleur, tous les gaz présents se dilatent en produisant le bruit et le souffle de l'explosion.
Les appareils susceptibles de créer du monoxyde de carbone
Tous les appareils dans lesquels se produisent une combustion incomplète peuvent produire du monoxyde de carbone. Cette réaction peut avoir lieu quel que soit le combustible. Cela peut être :
- Du pétrole ;
- Du bois ;
- De l'essence ;
- Du fioul ;
- Du gaz (butane, propane ou autre) ;
- Du charbon ;
- Du gasoil.
Le dégagement de monoxyde de carbone peut avoir lieu pour plusieurs raisons. Il peut s'agir de l'évacuation des fumées qui est mauvaise et donc ces dernières refoulent dans la pièce et se retrouvent dans l'air respiré ou alors il peut s'agir d'un manque d'entretient des appareils de chauffage. En effet, ces derniers s'ils ne sont pas régulièrement entretenus peuvent ne pas laisser passer les bonnes quantités d'air ou de combustible et donc causer des combustions incomplètes, génératrices de monoxyde de carbone. Pour finir, le non respect des conditions d'utilisation des appareils peut être la cause d'une intoxication au monoxyde de carbone. Il ne faut jamais utiliser un appareil destiné à chauffer à l'extérieur (chauffage au fioul par exemple) dans un espace confiné ou à l'intérieur. Ces derniers ont été conçus pour fonctionner avec la ventilation naturelle de l'air extérieur. Une fois privé de ce dernier, ils peuvent alors fumer et causer des vapeurs nocives.
Les symptômes de l'intoxication et comment s'en protéger
Lorsque l'on est victime d'une intoxication au monoxyde de carbone, on peut ressentir certains symptômes. Cependant, c'est qu'il est déjà trop tard et que le gaz toxique a déjà pénétré dans notre organisme. Voici les symptômes que l'on peut être amenés à ressentir lors d'une intoxication au monoxyde de carbone :
- Maux de tête ;
- Propos incohérents ;
- Fatigue soudaine ;
- Nausées ;
- Vertiges ;
- Malaises ;
- Asthénie.
Dans les cas d'intoxication les plus graves, la personne peut aller jusqu'à se retrouver dans le coma et décéder. Afin de se protéger des intoxications au monoxyde de carbone, divers solutions existent. On peut par exemple s'équiper d'un détecteur de monoxyde de carbone. Ce dernier vous avertira de la présence de monoxyde de carbone dans l'air, comme le ferait un détecteur de fumée avec un départ de feu. Des bonnes pratiques existent aussi concernant vos appareils de chauffage. Faites les réviser régulièrement et effectuez des ramonages des conduits d'évacuation des fumées. De plus, même en plein hiver, aérez bien les espaces dans lesquels fonctionnent des appareils de chauffage à combustion et n'obstruez jamais une aération d'air. Si vous suivez ces bonnes pratiques, vous diminuerez le risque d'intoxication au monoxyde de carbone. Cependant, afin de rendre l'espace encore plus sûr, équipez vos pièces avec des détecteurs de monoxyde de carbone. Faîtes les tester également à intervalles réguliers.
Exercice : La combustion du carbone
Expérience 1 : Combustion dans l’air
Dans l’air, la combustion du fusain se fait lentement sans flammes avec dégagement de chaleur. Le volume du fusain diminue au cours de la combustion. Lorsque l’on ajoute l’eau de chaux, celui-ci se trouble, il y a un précipité blanc. Le dioxygène est le gaz de l’air qui participe à la combustion. Le dioxyde de carbone est le gaz mis en évidence par l’eau de chaux. La combustion s’arrête car il n’y a pu de dioxygène.
Expérience 2 : Combustion dans le dioxygène
Observation : Le fusain brûle avec une flamme vive en projetant des étincelles. Au bout d’un moment, la combustion s’arrête. Le volume du morceau de fusain diminue. La combustion de carbone est plus vive dans le dioxygène que dans l’air car l’air contient du dioxygène et du diazote. Ce dernier n’entretient pas la combustion. Pendant la combustion, le dioxygène et le carbone disparaissent.
Mais un nouveau corps s’est formé: c’est le dioxyde de carbone.
La transformation chimique du carbone et du dioxygène : Carbone + dioxygène = dioxyde de carbone
Conclusion : Le carbone brûle dans le dioxygène pour former du dioxyde de carbone. Une combustion est une transformation chimique vive dont l’un des réactifs est le dioxygène. Elle dégage de l’énergie sous forme de chaleur et de lumière. Le dioxygène permet la combustion est le comburant. Le corps qui brûle est le combustible. Au cours d’une transformation chimique des réactifs disparaissaient et des produits nouveaux apparaissent. Le bilan de la combustion du carbone s’écrit : Carbone + dioxygène = dioxyde de carbone
Exercice : la combustion du butane
Combustion complète
Lorsque l’on allume un briquet et régler le débit pour avoir une flamme bleue, on le place au-dessus du tube à essai et de la buée se forme. Puis lorsque l’on verse de l’eau de chaux dans le tube à essai, l’eau de chaux se trouble. Les réactifs de la combustion du butane sont : le butane (combustible) et le dioxygène (le comburant) Les produits de cette combustion sont : le dioxyde de carbone (le trouble de l’eau de chaux) et l’eau (formation de buée). La combustion de butane est une transformation chimique.
Conclusion : Butane + dioxygène => dioxyde de carbone + eau
Combustion incomplète
Lorsque l’on augmente le débit du butane pour obtenir une flamme jaune, et que l’on place une soucoupe blanche au-dessus de la flemme, on obtient un dépôt noir. Le carbone se forme lors de cette combustion. La combustion incomplète du butane produit du dioxyde de carbone et de l’eau. Elle peut aussi produire du carbone et parfois du monoxyde de carbone.
A retenir : La combustion incomplète du butane ou du méthane peut produire du carbone et du monoxyde de carbone. Ce gaz, incolore et inodore, est très nocif (toxique).
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Est ce que vous pouvez me répondre à cette question : Proposez une solution pour éviter la formation d un dépôt noir
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