FORMULES de PHYSIQUE
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COMBUSTION
-combustion
Combustion est le terme indiquant qu’un corps est dans des conditions lui permettant d’exprimer de la chaleur
-en Physique la combustion consomme (transforme) des combustibles nucléaires, ce qui produit de la chaleur
-en Chimie la combustion est dite oxydo-réduction -ou redox- exothermique
En langage commun, c'est "le triangle du feu") dans lequel il y a association simultanée de 3 éléments :
1.un corps dit combustible qui va être réducteur(il va être oxydé, il va perdre des électrons et il va prendre des atomes d'oxygène)
C'est le cas du gaz de ville, du butane, des produits pétroliers, du bois, du papier, des plastiques...) On le nomme souvent carburant
2.un second corps dit comburant qui va être réduit(c'est un oxydant, il va gagner des électrons et il va lâcher des atomes d'oxygène qui sont abondants dans sa formule chimique) C'est le cas de l'oxygène, l'ozone, l'eau oxygénée, les NO3, ClO3, KNO3, etc
3.un activateur d'ignition (apportant l'énergie d'activation du phénomène) qui va initier la réaction chimique entre carburant et comburant. Cet activateur peut être d'origine mécanique (frottement) ou électrique (arc) ou pré-calorifique (flamme, rayonnement...) ou chimique (décomposition, polymérisation...)
On a globalement (Corps carboné + O²) = CO² + H²O + éventuels corps azotés
-une combustion lente exprime qu'il n' y a pas d'expression évidente d'élévation de chaleur (rouille, respiration...)
-une combustion vive exprime qu'il y a expression rapide d'élévation de chaleur (incandescence, flammes...)
-une explosion est une combustion très rapide, dégageant une grosse chaleur, causant une surpression des éléments gazeux ambiants, ce qui provoquedislocation immédiate des solides adjacents.
-une combustion interne exprime qu'un appareil (machine thermique) donne de l'énergie à partir de la combustion qui se produit dans son intérieur (moteurs à essence, diesel, à gaz, à réaction....)
-une combustion externe exprime qu'un appareil (machine thermique) donne de l'énergie à partir de création de chaleur à l'extérieur de sa structure (machine à vapeur, moteur Stirling....) Il fait partie alors d'un système comportant une source chaude et une source froide extérieures et seul le circuit caloporteur implique l'appareil
Dans une combustion, une très grande partie de l'énergie de réaction est consommée dans les échanges moléculaires et la petite partie qui reste sert à produire la chaleur (que l'homme tient à récupèrer)
LE FEU (la FLAMME) est la représentation visuelle d'une combustion vive
La 1° loi de Wien permet de déterminer la relation entre couleur émise lors d'un feu et la température du foyer : c'est l ~ 2,9.10-3 T
où l(m)= longueur d'onde correspondant au maximum d'intensité lumineuse perçue et T(K) = température
Mais cette équation est théorique (car elle s'applique à un système fermé) Dans la pratique, il s'agit de systèmes ouverts (sur l'extérieur) et les températures sont très inférieures à celles de l’équation
Exemples :
-la température d'une bougie est de 1500° C, en base jusqu'à 700° C, en haut
la flamme est bleue en base, à cause de l'ionisation des corps et de la fluorescence électronique- plus haut elle est jaune, en combustion pas très complète, puis elle devient orangée (en loi de Wien)
-la température d'un feu de cheminée est de l'ordre de 1000° C en âtre jusqu'à 550° C en départ des fumées. On y distingue aussi des zones bleues, jaunes et rougeâtres
-la température d'un feu de charbon est d'environ 1200° C en foyer jusqu'à 600° C en départ des fumées
-la température d'un feu de forge est de l'ordre de 1500° C permettant de porter du fer au rouge cerise (~ 750° C), puis au blanc (~ 1300° C)
QUESTIONS ENERGETIQUES
-la chaleur de combustion (c’est une énergie)
provient d'une réaction chimique impliquant un combustible (réducteur) et un comburant (oxydant) et produisant donc de l’énergie surtout calorifique. Elle produit aussi des rayonnements, dont ceux émis en lumière visible (le feu)
Eq = q’p.m
avec Eq (J)= énergie calorifique dégagée par la combustion d’un corps
Eq est parfois exprimée en thermies (1Th = 4,185.106 J )
ou en kWh (1kWh = 3,6.106 J)
q’p(J/kg)= pouvoir calorifique massique du corps
m(kg)= masse de corps consumée
-la chaleur molaire de combustion
est l'énergie calorifique produite (à conditions T.P.N) par la combustion de la mole d’un corps E*c= Et / q
avec E*c(J/mol)= chaleur molaire de combustion d’un corps
Et (J)= énergie thermique produite par la combustion
q(mol)= quantité de matière impliquée dans cette combustion
-le pouvoir calorifique est à voir au chapitre spécial sous ce nom
-le rendement de combustion
est une caractéristique utile pour une chaudière.C'est une fonction de la différence de température entre (celle des fumées) et (celle d'ambiance) et en outre est fonction d'un coefficient variable selon le combustible utilisé (bois, GOD, gaz) Les valeurs du rendement de combustion sont de:
--0,93 pour les chaudières à tubes d'eau
--0,87 pour celles à tubes de fumées
--0,54 à 0,75 pour les chaudières industrielles
INFLAMMABILITÉ
-l'inflammabilité est le coefficient (Ki) indiquant les conditions limites inférieures de début de combustion d’un corps >> Ki = yn.Té /100
où yn(nombre)= concentration (fraction) volumique du carburant
Té(K) est le point d’éclair du corps soumis à combustion (c'est à dire la température la plus
basse à laquelle ce combustible produit de la vapeur pouvant s'enflammer en présence
d'une flamme incitatrice)
Pour certains corps, l'inflammabilité est spontanée (par exemple la térébenthine à 253°C),
mais en général elle est comprise entre 2 limites de concentrations volumiques (pas d'inflammation en dessous de la plus basse et pas davantage d'inflammation au-dessus de la plus haute)
Pour un mélange de combustibles, l’inflammabilité est fonction de la moyenne des Téde
chaque composant
TAUX de COMPRESSION
Notion liée à la combustion dans les moteurs thermiques : ce taux définit les limites d’expansion volumique d’un carburant dans un moteur (rapport entre les volumes maxi et mini de la chambre de combustion) Ses valeurs pratiques vont de
5 à 12 pour les moteurs à essence et de 12 à 25 pour les moteurs diesels