TD COMBUSTION
Exercice n° 1
Le kérosène, , est un mélange d'hydrocarbures contenant des alcanes (CnH2n+2) de formule
chimique allant de C10H22 à C14H30.
Issu du raffinage du pétrole, son usage en aviation est principalement dû à son fort pouvoir
calorifique de 43,15 MJ·kg-1 et à un point de congélation très bas (-47° C pour le Jet A1) car à
11 000 mètres d'altitude, la température externe est proche de -56,5 °C.
1. En considérant que le kérosène est exclusivement constitué de C12H26 écrire l’équation
bilan de la combustion du kérosène dans un moteur d’avion. Préciser le combustible et
le comburant.
La consommation de kérosène par passager et pour 100 km est d’environ 3,81 litres (Air
France 2010).
2. Calculer la quantité de matière du kérosène consommée par passager et pour 100 km.
3. En considérant que le comburant est présent en large excès, établir un tableau
d’avancement de la réaction précédente.
4. Déterminer l’empreinte carbone par passager et pour 100 km, c’est à dire la masse de
CO2 libérée dans l’atmosphère.
5. Déterminer la valeur de l’enthalpie de combustion à partir des données des enthalpies
de formation.
6. Cette valeur est elle comparable à la valeur donnée du « pouvoir calorifique » donnée
par l’énoncé ?
Données :
Densité du kérosène d = 0,75
Enthalpie de formation
à 25°C et sous 1 bar en
kJ/mol
Kérosène
CO2
H2O
O2
-353,5
-393,0
-242,0
0
Exercice n° 2 :
1° question : On admet, pour simplifier, qu’une essence est constituée d’un mélange de
plusieurs alcanes ayant chacun pour formule : C6H14 .
Écrire l’équation bilan de combustion complète de cette essence.
2° question : L’essence précédente a un pouvoir calorifique de 4200 kJ.mol−1 et une masse
volumique de750 kg.m− 3 .
Une voiture consomme en moyenne 8 litres de cette essence pour rouler 100 km.
a) Calculer la chaleur fournie par la combustion de l’essence lors d’un parcours de 100 km.
b) En supposant la combustion complète, calculer le volume de dioxyde de carbone rejeté lors
du parcours de 100 km.
c) Commenter.
Données :
- Volume molaire des gaz, à la température de fonctionnement du moteur : Vm= 24 L.mol−1
- Masses molaires atomiques : M(H) =1g.mol−1 ; M(C) =12 g.mol−1
Exercice n° 3 :
Les données nécessaires à la résolution de l’exercice sont données en fin d’énoncé.
Le brûleur d’un appareil de chauffage utilise un mélange {air + butane}.
1° question : Parmi les formules chimiques ci-dessous, choisir celle correspondant au butane.
2° question :
a) Écrire l’équation bilan de la combustion complète du butane.
b) Calculer le volume VO2 de dioxygène nécessaire à la combustion complète de Vb =1m3
de butane.
c) En déduire le volume d’air Vair correspondant (« air stœchiométrique »)
3° question :
Le débit volumique du mélange stœchiométrique {air + butane} de ce brûleur est d = 25m3 / h
a) Quel est le consommation horaire de butane ?
b) Quelle est la puissance thermique théorique Pth de ce brûleur ?
Remarque : L’eau formée n’est pas condensée ; elle est à l’état vapeur.
c) Quel volume Vf de dioxyde de carbone et de vapeur d’eau doit-on extraire de la chaufferie
par heure de fonctionnement ?
d) Quelle puissance théorique Pmax obtiendrait-on si l’eau était entièrement condensée au
niveau de la chaudière ?
e) Quelle masse d’eau meau devrait-on recueillir en une heure ?
Données :
Tous les volumes sont mesurés dans les conditions normales de température et de pression.
Le brûleur est supposé être parfaitement réglé.
Volume molaire, dans les conditions normales de température et de pression :Vm=22,4L.mol−1
L’air contient, en volume, 21 % de dioxygène environ.
Pouvoir calorifique inférieur du butane commercial : PCI = 2659 kJ.mol−1 (l’eau n’étant pas
condensée).
Pouvoir calorifique supérieur du butane commercial : PCS = 2876 kJ.mol−1
Exercice n° 4 : Combustion d’un alcane
On étudie la combustion complète de l’octane de formule brute C8H18 , constituant essentiel
du carburant des moteurs à essence.
Donnée : Masse volumique de l’octane liquide : ρ = 750 kg.m − 3
1° question : Ecrire l’équation de la combustion complète de l’octane et donner le nom des
produits de la réaction.
2° question : Le carburant, à l’état liquide dans le réservoir, est vaporisé et mélangé avec l’air
avant d’être introduit dans les quatre cylindres d’un moteur à essence quatre temps.
Au cours d’un essai à vitesse de rotation constante, la puissance mécanique utile de ce moteur
est égale à Pu =16 kW. Son rendement η est de 30 %.
a) Calculer la puissance Pa fournie par la combustion dans le moteur.
b) En déduire l’énergie, exprimée en joules, consommée en une heure de fonctionnement.
c) Le pouvoir calorifique de l’octane vaut :Pc = 5,0 ×10 kJ.mol −1 .
Vérifier que la consommation horaire de carburant vaut 38mol.h −1 .
3° question : On place le moteur sur un banc d’essais, afin de déterminer la masse de dioxyde
de carbone rejeté dans l’atmosphère au cours de la combustion. L’essai dure 2 min.
a) Calculer la quantité de matière d’octane (en mol) consommé au cours de cet essai.
b) En déduire la quantité de matière de dioxyde de carbone émis.
c) Les mesures réalisées aboutissent à une masse de 450 g de dioxyde de carbone émis.
Montrer que cette valeur est conforme au résultat obtenu à la question 3 b).
Exercice n° 6 :
Combustion complète d’un mélange d’hydrocarbures
On étudie la combustion complète d’un gaz dont la composition, en volume, figure ci-dessous
1° question :
a) Écrire les équations-bilans des combustions complètes du méthane et de l’acétylène.
b) Expliquer ce que l’on pourrait obtenir si la combustion de ce gaz était incomplète.
2° question : Calculer le volume de dioxygène nécessaire à la combustion complète d’une
mole de ce gaz ? En déduire le volume d’air « stœchiométrique ».
3° question : Un gaz contenant plusieurs hydrocarbures peut se ramener, du point de vue de
la combustion, à un composé gazeux de formule C xH y
a) Calculer x et y.
b) Écrire l’équation bilan de la combustion complète du composé de formule Cx Hy et
retrouver les résultats de la 2° question.
4° question : Ce gaz combustible est brûlé avec un excès d’air de 20 %.
a) Calculer le volume d’air employé, dans ces conditions, pour la combustion complète d’une
mole de ce gaz.
b) Quel est le volume gazeux obtenu en fin de réaction (l’eau est sous forme de vapeur) ?
c) Quelle est la composition, en volume, de ces « fumées » ?
d) En déduire la densité d de ces « fumées » par rapport à l’air.
Données :
On considère les gaz comme parfaits.
L’air contient, en volume : 20,8% de dioxygène ; 78,2% de diazote ; 1,0% d'argon
Les volumes seront toujours rapportés aux conditions normales.
Sujets d’examen
LES AVIONS SONT-ILS SI POLLUANTS ?
On peut régulièrement lire des articles sur la pollution engendrée par les avions. Par
exemple on lit qu’un voyage aller-retour Paris - New York (5850 kilomètres entre les deux
villes) correspond au rejet d’une tonne de CO2 par passager. Déterminons la consommation de
kérosène aux 100 kilomètres correspondant à une telle valeur
1 - Prenons pour le kérosène, la formule suivante : C12H26. Sa combustion dans le
dioxygène produit du dioxyde de carbone et de l’eau. Écrire et équilibrer l’équation de
combustion du kérosène.
2 - À partir des masses molaires suivantes, C : 12 g/mol, O : 16 g/mol et H : 1 g/mol,
retrouver que le rapport de la masse de CO2 rejeté sur la masse de kérosène est de 3,1.
3 - Sachant que la densité du kérosène est de 0,8, déduire de la question 2 la masse, puis le
volume de kérosène consommé, pour 1 tonne de CO2 rejeté.
4 - En déduire que la valeur correspondante à une consommation par passager est de 3,44 L
aux 100 km.
5 - Que peut-on en conclure quant à la pollution de l’avion par rapport à l’automobile par
passager ?
MOTEUR À ERGOLS CRYOGÉNIQUES
Figure 1
Extrait doc.Safran-SNECMA : le moteur
cryotechnique Vulcain®2 d'une poussée de
137 tonnes propulse l'Etage Principal
Cryotechnique (EPC) d'Ariane 5 (figure 1
page 3/9). C'est le dernier étage de la fusée, il
est également composé de deux réservoirs de
30 mètres de hauteur. L'un contient 26 tonnes
de
dihydrogène
liquide
(LH2)
à
- 253°C et l'autre 132,5 tonnes de dioxygène
liquide (LOX) à - 183°C qui constituent les
ergols cryogéniques de ce moteur. On donne :
- masses volumiques des ergols liquides :
H2 = 70,8 kg.m-3 et O2 = 1141 kg.m-3 ;
- masses molaires atomiques :
M(H) = 1,0 g.mol -1 et M(O) = 16,0 g.mol -1 ;
- l’intensité de la pesanteur est g = 9,81 N.kg -1.
A - Quelques généralités
Dans la documentation technique du constructeur il est indiqué une poussée du moteur,
dans le vide, de 1340 kN et l’extrait ci-dessus indique une poussée de 137 tonnes.
Q.1 - Comment relie-t-on ces deux indications différentes qui caractérisent la poussée ?
Q.2 - Préciser, en une phrase, laquelle de ces deux valeurs est juste d’un point de vue
scientifique.
Q.3 - Calculer les volumes VH2 et VO2 (en m3) des ergols H2 et O2 contenus dans chacun
des réservoirs.
Q.4 - Donner, en une phrase, une raison qui justifie le stockage de ces ergols sous
forme liquide.
Q.5 - Calculer les quantités de matière notées nH2 et nO2, en moles, contenues dans ces
réservoirs.
B - Chimie de propulsion
Q.6 - La réaction chimique entre le dihydrogène et le dioxygène produit uniquement de
la vapeur d’eau. Écrire et équilibrer l'équation de cette transformation chimique.
Q.7 - Les ergols sont-ils embarqués dans les proportions stœchiométriques de la
réaction précédente ? Justifier votre réponse en une phrase.
On considère un mélange initial de 13.106 moles de dihydrogène et 4.106 moles de
dioxygène.
Q.8 - Compléter le tableau d'avancement, en justifiant la valeur de l'avancement final
xFINAL et en supposant que la transformation chimique est totale.
Q.9 - Préciser la composition molaire du mélange final.
Q.10 - Calculer la masse d'eau produite par cette réaction.
Combustion, calcul d’un pouvoir calorifique inférieur PCI
Données :
- Enthalpies standards de formation ΔHf0 à 298 K d’espèces chimiques gazeuses en kJ.mol−1
- Volume molaire à 298 K : Vm = 24,5 .10-3 m3.mol-1
On désire calculer le PCI du mélange CO,CH4 combustible utilisé pour le chauffage d’une
chaudière utilisée pour chauffer et transformer de l’eau liquide en vapeur,
A - Le monoxyde de carbone CO
1° question : Ecrire l’équation de la réaction n°1 entre le monoxyde de carbone CO et le
dioxygène de l’air O2 sachant qu’il se forme du dioxyde de carbone CO2 .
2° question : Calculer l’enthalpie standard de réaction ΔHr0 (1) à 298 K associée à cette
réaction pour une mole de monoxyde de carbone CO.
3° question : Après avoir rappelé la définition du PCI, calculer le PCI pour la combustion de
CO en kJ.m− 3 .
B - Le méthane CH4
1° question : Ecrire l’équation de la réaction n°2 entre le méthane CH4 et le dioxygène O2 ,
sachant qu’il se forme cette fois du dioxyde de carbone CO2 et de l’eau vapeur H2O.
2° question : En déduire l’enthalpie standard de réaction
ΔHr0 (2) pour une mole de méthane CH4 .
3° question : Calculer son PCI en kJ.m− 3 .
C- Etude du mélange
Sachant que le mélange contient, en volume, 60 % de CO et 40 % de CH4 , calculer le PCI
d’un mètre-cube de ce mélange.
