Telechargé par fjolibois

REACTIONS DE COMBUSTION élève

publicité
REACTIONS DE COMBUSTION
I - Principe d’une combustion
La combustion désigne une réaction chimique au cours de laquelle il y a oxydation
complète ou partielle d’un corps . Les réactions d’oxydation sont, en général,
exothermiques (elles dégagent de la chaleur) ; le terme « combustion » s’applique aux cas
où la réaction est suffisamment rapide pour qu’elle se matérialise par une flamme, des
étincelles, etc
La combustion résulte de la réaction chimique entre un corps appelé combustible et un
corps appelé comburant (le plus connu est le dioxygène). Elle est amorcée par un apport
initial d'énergie (ex : flamme d'une allumette).
Elle libère une quantité d'énergie plus ou moins importante vers le milieu extérieur.
Combustible + Comburant
Produits + Energie (chaleur)
Pour se produire, la combustion a besoin de trois conditions :
- D’un combustible, qui est une substance qui peut brûler en présence
d’un comburant . Dans le cas d’un moteur thermique le combustible
est appelé Carburant : ( essence, kérosène, gasoil…)
- D’un comburant, qui est une substance qui permet la combustion
d’un combustible : dioxygène O2, dichlore Cl2chlorates ClO3-,…
le plus souvent le comburant sera le dioxygène contenu dans l’air.
- D’une énergie d’activation ou chaleur (flamme, étincelle, compression …)
Les produit de la combustion seront le plus souvent du CO2 et de la vapeur d’eau H2O
Exemple : Combustion de l’octane C8H18 (essence) dans un moteur thermique à piston.
+ Chaleur
L’énergie thermique dégagée par la combustion est ensuite transformée en travail mécanique
par le moteur (conformément au second principe de la thermodynamique
II - Les carburants
Actuellement la quasi totalité des carburants sont des hydrocarbures issus du pétrole,
cependant les contrainte environnementales pousse aux développement de biocarburants tels
que les alcools issus de l’agricultures ou du dihydrogène.
A - Les hydrocarbures
Ce sont des composés organiques constitués uniquement de carbone et d’hydrogène.
1 - Production par raffinage du pétrole
La principale voie d'obtention des
carburants les plus courants est le
raffinage du pétrole
le pétrole brut contient toujours une
certaine quantité d'eau salée, elle est
extraite au cours de l'étape de dessalage. Il
subit ensuite une séparation de ses
constituants par distillation fractionnée
sous pression atmosphérique .
- En fond de colonne : les hydrocarbures
les plus lourds (C>20, à plus de 20 atomes
de carbone par molécule),appelés
« résidus atmosphériques
- La température d'ébullition du mélange
décroît avec sa hauteur dans la colonne et
on sépare les gazoles (C13-C20), le
kérosène (C10-C13), matière première du
carburéacteur, puis le naphta (C5-C10),
qui permettra de produire les essences
ordinaires et super.
En tête de colonne, on récupère les produits les plus volatils à l'état gazeux (C1-C4).
Remarque il existe d’autres filières de production : la synthèse de Fischer-Tropsch
2 - Les alcanes
Liaison covalente carbone – hydrogène : mise en commun de 2 électrons entre 2 atomes
Représentation de Lewis
De la molécule de méthane
Un atome de carbone est capable de former 4 liaisons covalentes, un atome d’hydrogène une
seule liaison covalente.
Exemple de la molécule d’éthane :
Formule brute :
C2H6
Formule semi développée :
CH3 ― CH3
Définition : Les alcanes sont des hydrocarbures saturés acycliques c’est à dire formés de
chaînes ouvertes linéaires ou ramifiées. Ils ont pour formule brute C n H 2n+2 .
Un hydrocarbure est dit saturé si tous ses atomes de carbone sont liés à 4 autres atomes par
des liaisons covalentes simple
Nomenclature : Pour déterminer le nom de l’alcane, on cherche la chaîne carbonée la plus
longue : c’est la chaîne principale qui identifie l’alcane.
Nom des 6 premiers alcanes :
Nombre d’atome
Nom de
de carbone
l’alcane
1
Méthane
Formule brute
de l’alcane
CH 4
C2 H 6
2
Éthane
3
Propane
C3 H 8
4
Butane
C4 H10
5
Pentane
C5 H12
6
Hexane
C6 H14
Formule semi développée de l’alcane
CH 4
CH 3  CH 3
CH 3  CH 2  CH 3
CH 3  CH 2  CH 2  CH 3
CH 3  CH 2  CH 2  CH 2  CH 3
CH 3  CH 2  CH 2  CH 2  CH 2  CH 3
Chaînes linéaires  chaînes ramifiées
La chaîne ouverte d’un hydrocarbure saturé de formule C5 H12 peut être linaire ou ramifiée.
pentane
H3C
2-méthylbutane ou
isopentane
Propriétés physiques des alcanes
Les températures de fusion θf et
d’ébullition θe des alcanes à
chaîne linéaire augmentent quand
le nombre d’atomes de carbone
dans la molécule augmente.(
longueur de la chaîne carbonée)
Les température de changement
d’état d’un alcane diminuent
l’orque le nombre de
ramifications de ses isomères de
constitution augmente.
Remarque : on appelle isomères
deux composés de même formule
brute mais de formules
développées différentes
( exemple : l’hexane et le
2-méthylepentane)
Les densités augmentent avec le
nombre de carbone de la chaîne.
H3C
CH2
CH3
CH2
CH2
CH
CH3
CH2
CH3
3 - Les cycloalcanes
Les cycloalcanes (ou cyclanes) sont des molécules contenant deux
atomes d'hydrogène par carbone et arrangées en forme d'anneau.
La formule générale de ce type de composé est : CnH2n.
Exemple le cyclohexane C6H12
4 - Les alcènes
Définition :
Les alcènes sont des hydrocarbures insaturés, c’est à dire, possédant une double liaison
C  C . Ils ont pour formule brute C2 H 2n .
Nomenclature :
Pour nommer les alcènes, on remplace le suffixe –ane du nom de l’alcane comportant le
même nombre d’atomes de carbones par le suffixe –ène
Exemples :
H3C
CH2
CH
CH2
CH2
H3C
Pent-1-ène
CH3
CH
CH2
H2C
C
CH2
CH
CH3
CH3
Pent-2-ène
2-méthylbut-1-ène
5 - Les composés aromatiques
Les composés aromatiques sont des composés insaturés tels que
le benzène dont les atomes forment des structures cycliques et
planes particulièrement stables.
Le benzène C6H6 est constitué d'un cycle à 6 atomes de carbone
formant un hexagone régulier et comportant. La représentation est
un hexagone dans lequel trois liaisons doubles alternent avec trois
liaisons simples.
B - Les Alcools
Les alcool sont amenés à remplacer en partie les alcanes dans la composition des
carburants afin de limiter l’utilisation d’énergies fossiles. Ces biocarburants sont en effet
produits par la décomposition de matières végétales donc d’énergies renouvelables.
Les alcools sont formés de chaînes carbonée analogues aux alcanes où un atome
d’hydrogène est remplacé par on radical ― OH appelé hydroxyle
Exemples : Ethanol CH3― CH2―OH
;
Propanol CH3―CH3―CH2―OH
Formule brute: CnH2n+1―OH
Nomenclature :
Pour nommer les alcool, on remplace le suffixe –ane du nom de l’alcane comportant le même
nombre d’atomes de carbones par le suffixe –ol.
Les alcools sont d’excellents combustibles.
Équation de la combustion de l’éthanol dans le dioxygène de l’air :
CH 3  CH 2  OH  O 2 
 2 CO 2  3 H 2 O .
Cette oxydation entraîne la destruction du squelette carboné.
Équation de la combustion d’un alcool dans le dioxygène de l’air :
3n
Cn H 2n+1  OH 
O 2 
 n CO 2  (n  1) H 2 O .
2
Propriétés physiques: comparaison alcane/alcool
C - Les carburants utilisés dans les moteurs
Les combustibles les plus divers, qu’ils soient sous forme gazeuse, liquide ou solide
peuvent être utilisés. Parmi les plus courants: les hydrocarbures (méthane CH4, propane C3H8,
essence, gasoil, kérosène, fioul...), l’hydrogène (H2). Le comburant est le plus souvent
l’oxygène de l’air, plus exceptionnellement de l’oxygène pur (moteur-fusée ) qui permet
d’atteindre des températures plus élevées mais pose des problèmes de sécurité. Plus rarement,
d’autres comburants sont utilises (moteurs fusée a ergols).
Principaux produits du pétrole:
- Le mot « paraffine » signifie en chimie du pétrole et dans le langage des raffineurs : alcane
, n-paraffine ou normale-paraffine signifiant alcane linéaire, tandis que, iso-paraffine signifie
alcane ramifié.
Le terme « naphtène » ( Naphtol en anglais) est la dénomination donnée aux
hydrocarbures saturés cycliques à 5 ou 6 atomes de carbone. Ou cycloalcanes .
-
-
Le terme « oléfine » était le nom donné par le passé aux alcènes
Les carburants usuels n'ont pas une composition bien définie. Ce sont des mélanges
d'hydrocarbures qui varient avec l'origine géographique du pétrole utilisé et les procédés de
raffinage appliqués. Le mélange commercialisé vérifie des contraintes sur les propriétés
physiques (densité, volatilité) énergétiques (pouvoir calorique) et chimiques (indice d'octane,
point d’éclair, limitation des teneurs en certains composants).
- Point éclair : température à partir de laquelle un liquide peut s'enflammer au contact
d'une source de chaleur : flamme, étincelle… Si l'on retire la source de chaleur,
l'inflammation s'arrête. En anglais le point éclair est noté « Flash point »
- Point d'inflammation : température où la quantité de vapeurs émises par le solvant
est suffisante pour que la combustion continue même si l'on retire la source de chaleur
à l'origine de l'inflammation.
- Point d'auto ignition : température où le liquide s'enflamme spontanément sans
apport de chaleur.
 L’essence
L'essence est obtenu par distillation fractionnée du pétrole brut. En aviation, on utilise
l'essence légère recueillie entre 70 et 120° dont la densité est environ 0,7.
C'est un carburant pour moteur à allumage commandé (moteur a explosion). C'est un
mélange d’hydrocarbures, auxquels peuvent être ajoutés des additifs pour carburants. De
nombreux types d'essence sont fabriqués et mis sur le marché.
Composition moyenne :
 20 % à 30 % d’alcanes, hydrocarbures saturés de formule CnH2n+2 ;
 5 % de cycloalcanes, hydrocarbures saturés cycliques ;
 30 % à 45 % d’alcènes, hydrocarbures insaturés ;
 30 % à 45 % d’hydrocarbures aromatiques, de la famille du benzène, etc.
Indice d’octane:
Parmi les alcanes, deux jouent un rôle particulier : l’octane C8H18 et l’heptane C7H16.
Une des principales qualités d'une essence, est de brûler sans détonation, explosion trop
violente qui engendre le cliquetis et l'auto-allumage du mélange air-essence.
Un carburant de choix doit donc être antidétonant.
Or, parmi les hydrocarbures purs, il en est deux dont les propriétés sont opposées :
- L'heptane : très détonant.
- L'octane : non détonant (particulièrement l'iso-octane).
Le carburant est comparé à un mélange heptane-octane. Si le carburant brûle, comme le
mélange de 80% d'octane et de 20% d'heptane, on dit que ce carburant a un indice d'octane de
80 ou qu'il a 80 d'indice d'octane.
L'indice d'octane est donc un barème donnant le pouvoir antidétonant d'un carburant,
mesuré par rapport à un mélange heptane-octane.
En ajoutant certains additifs, tels que le benzène ou le tétraéthyle de plomb on obtient des
essences moins détonantes que l'octane pur, et qui ont, par conséquent, un indice d'octane
supérieur à 100, pouvant aller jusqu'à 145 pour des moteurs de compétition.
Un essence très ordinaire fait un indice d'octane de 75.
Autrefois, les moteurs d'avion de faible puissance de moins de 150 CV, utilisaient souvent
de l'essence à 80/87 (couleur rouge).
Maintenant, on utilise de la 100/130.
L'ensemble de 2 chiffres (100-130) s'appelle le grade du carburant :
- 100 est l'indice en mélange riche. évalue la résistance d’un carburant au cliquetis à haut
régime.
- 130 est l'indice en mélange pauvre. caractérise le comportement d’un carburant à bas
régime
L’AVGAS100LL
est une essence de couleur bleue particulière. la production de l'Avgas diffère de celle des
autres carburants par la quantité des tests et la rigueur du suivi qualité.
Elle contient en faible quantité du plomb tétraéthyle (Tetraethyl lead) " TEL", après avoir
utilisé de l'aniline, d'où son appellation "low lead" (faible teneur en plomb).
Propriétés physiques
T° fusion
< −60 °C
T° ébullition 20 à 200 °C[1]
Solubilité
100 à 250 mg·l-1 dans l'eau
Masse volumique
680 à 790 kg·m-3 à (15 °C)
T° d'auto-inflammation
environ 250 °C[1]
Point d’éclair −40 °C
Limites d’explosivité dans l’air
1,3–7,1 %vol[1]
Pouvoir calorifique (PC)
47,3 MJ/kg
Remarque: le plomb tétraéthyle de formule brute Pb(C2H5)4 et un redoutable polluant très
toxique et désormais interdit dans les carburants terrestres.
 Le kérosène ou carburéacteur
Le kérosène est un mélange d’hydrocarbures saturés obtenu par distillation du
pétrole ente 150 et 250°C. C’est un mélange complexe d’alcanes, naphtènes et
aromatique dont la composition varie selon l’origine géographique.
Le plus utilisé en aéronautique est le JETA1
Propriétés chimiques:
On peut considérer chimiquement le kérosène comme un mélange d’alcanes allant de C10H22 à
C14H30. il est de coutume de lui affecter une formule chimique moyenne souvent égale à
C11H22 ( en réalité cela oscille entre C10,9H20,9 et C12H23 )
Propriétés physiques :
Aspect polluant:
Un des principal problème est la présence de souffre qui par oxydation donne du dioxide de
souffre SO2 et du sulfure d’hydrogène H2S gaz toxiques.
 Eco-carburants
Les contraintes de préservation de l’environnement et de réduction d’émissions de gaz à effet
de serre poussent les industriels de l’aéronautique à envisager d’autres carburants non fossiles.
- L’hydrogène: La combustion du dihydrogène ne produisant que de l’eau apparaît comme
parfaite. Le problème réside dans le stockage de ce gaz particulièrement inflammable.
L’hydrogène est liquide à une température de – 253°C et nécessite des réservoir cryogéniques
particulièrement isolés comme pour les fusées style Ariane donc peu concevable.
- les alcools on un pouvoir calorifique assez faible comparé au jetA1 mais des essais à base
de butanol se sont révélés prometteurs.
- les agrocarburants à base d’huile végétale sont à l’essai mais posent des problèmes liés à
froid à la température de solidification.
III - Bilans des combustions (dans l’air)
A - Le comburant : l’air
Le plus souvent le comburant est le dioxygène O 2 contenu dans l’air. L’air est un mélange
complexe constitué principalement de 1/5ième de Dioxygène O 2 et 4/5ième de Diazote N 2
Remarque les fractions molaire correspondent aux fractions volumiques.
Si on assimile l’air à un mélange constitué uniquement de Dioxygène O 2 et de Diazote N 2
dans les proportions 21% et 79% , on constate que l’aire contient 3,76 fois plus de moles de
N 2 que de moles de O 2 . ( 79/21 = 3,76 )
On en déduit la formule de l’air atmosphérique : O 2  3,76 N 2
Calcule de la masse molaire de l’air : Mair =
Calcule de la masse volumique de l’air dans les conditions normales de température et
de pression (CNTP : 0 °C et 101 325 Pa):
B - Bilan d’une combustion complète ou stœchiométrique
 Une combustion est dite complète ou « stochiométrique » si le dioxygène est en quantité
suffisante pour oxyder complètement les réactifs.
 Dans le cas d’un hydrocarbure, les seuls produits d’une combustion complète sont le
dioxyde de carbone CO2 et l’eau H2O
Equation de combustion d’un Alcane dans le dioxygène :
Combustion du même Alcane dans l’air en tenant compte de sa composition moyenne :
2C n H 2 n  2  ( 3n  1)(O 2  3,76 N 2 )  2nCO 2  ( 2n  2 )H 2 O  ( 3n  1)  3,76 N 2
Air
Cas d’un hydrocarbure quelconque de formule Cn H m :
m
Cn H m  (n  m )(O 2  3,76  N 2 )  nCO 2  H 2O  (n  m )  3,76  N 2
4
4
2
Diazote
Exemples :
 Combustion de l’essence : ( à 20°C)
On réalise la combustion complète de 1 L d’essence dans l’air, on désire calculer la masse
de dioxygène O2 nécessaire et le volume d’air correspondant, ainsi que les masses de CO2 et
H2O produites. L‘essence sera assimilée à de l’octane pur C 8 H 18 de densité dess = 0,781
 Equation de la réaction complète :
;
.
 Nombre de moles d’octane présent initialement :
 Tableau d’avancement :
Équation


État du système
Avancement
État initial
Au cours de la
transformation
État final
x = 0 mol
Quantité de
C8H18
mol
Quantité de
O2
nO2
0 mol
0 mol
x
x max 
 Avancement final :
 Quantité de O2 néccéssaire ( proportion stochiométriques)
En masse :
En volume
 Volume d’air à 20°C : (proportion d’O2 dan l’air sec 21%)
ou
 Masse de CO2 produite :
 Masse de H2O produite :
Quantité de
CO2
0 mol
Quantité de
H2O
0 mol
 Combustion de Kérosène : ( à 20°C)
On va supposer que le kérosène utilisé est assimilable à un composé de formule brute C11H22
On réalise la combustion complète de 1 L d’essence dans l’air, on désire calculer la masse
de dioxygène O2 nécessaire et le volume d’air correspondant, ainsi que les masses de CO2 et
H2O produites. Le kérosène étant assimilé à C11 H 22 de densité dKéro = 0,801
 Equation de la réaction complète :
 Nombre de moles d’octane présent initialement :
 Tableau d’avancement :
Équation
État du système
Avancement
État initial
Au cours de la
transformation
État final
x = 0 mol
C11H122(l) + O2(g)
Quantité de Quantité de
O2
C11H22
nO2
x
x max 
nO2 – 33x
0 mol
0 mol
 Avancement final :
 Quantité de O2 néccéssaire ( proportion stochiométriques)
 Volume d’air à 20°C : (proportion d’O2 dan l’air sec 21%)
 Masse de CO2 produite :
 Masse de H2O produite :


CO2(g) +
H2O(g)
Quantité de
Quantité de
H2O
CO2
0 mol
0 mol
C - Combustion non stoechiométriques ou incomplètes.
Lorsque les lois de la stoechiométrie sont respectées, les gaz d’échappement ne contiennent
que de l’azote gazeux (N2), du dioxyde de carbone (CO2) et de l’eau à l’état de vapeur
(H2O).Ces corps peuvent être considérés comme non polluants car sans danger sur la santés.
Par contre dans le cas d’un excès d’air ou d’un manque d’air il apparaît des gaz polluants
toxiques comme le monoxyde de carbone CO ou les oxydes d’azotes NOx.
La présence du dioxyde de soufre SO2 dans les gaz d’échappementy proviens du souffre
contenu dans les carburants et pas de la strochiométrie du mélange air-carburant.
Pour simplifier le problème, on peut considérer deux configurations opposées :
- mélange air/carburant riche (trop de carburant, pas assez d’air)
- mélange air/carburant pauvre (peu de carburant, trop d’air).
Ces configuration seront caractérisé par le facteur d’air λ
Définition du facteur d’air :  
masse d' air utilisé
pour 1 g de carburant
maisse d' air stoechiométrique
Exemple la masse d’air stoechiométrique = 14,7 g dans le cas de l’essence car il faut 14,7 g
d’air pour bruler 1g d’essence.
 Mélanges trops riches λ < 1:
Certains atomes qui constituent la molécule d’hydrocarbure ne trouvent pas de ‘‘partenaire
oxygène’’ en nombre suffisant puisque l’air manque, ils ne sont donc pas oxydés
complètement et se retrouvent dans les gaz d’échappement sous forme de particules carbonées
(suies), de monoxyde de carbone (CO), très toxique. Ou d’hydrocarbures imbrûlés (HC)
Exemples d’ hydrocarbures (CxHy ) présents le méthane (CH4) ou le butane (C4H10) qui sont
des GES
 Mélanges trops pauvres λ > 1:
Un excès d’air (donc d’oxygène)) peut entraîner la formation de monoxyde d’azote (NO),
suite à une réaction entre l’oxygène (O2) et l’azote (N2). Une fois expulsé, le monoxyde
d’azote présente la particularité de se transformer spontanément en dioxyde d’azote (NO2) au
contact de l’air, générant au passage une mutation de l’oxygène atmosphérique en ozone (O3).
Ces deux gaz sont très toxiques pour les organismes vivants. (NOx)
 Dioxyde de soufre (SO2) La quantité de SO2 dépend du type et de la qualité du carburant
employé C'est un gaz toxique qui contribue à la formation des pluies acides. (remarque dans les
mélanges riche il se forme du SO à la place de SO2)
IV - Energie libérée par une combustion
A - Enthalpie de combustion
1 - Application du premier principe à la thermochimie :
Les réactions chimiques sont, le plus souvent, effectuées, soit à volume constant, soit à
pression constante.
 combustions à volume constant (isochores) :
Dans une telle évolution, il n’y a pas de travail échangé entre le système et l’extérieur, et
l’on a : Q V  U  U finale  U initiale
 combustions à pression constante (isobares).
Dans une telle évolution, on a : Q P  H  H finale  H initiale
Dans ces deux cas, la chaleur mise en jeu ne dépend que de l’état initial et de l’état final
(U et H sont des fonctions d’état).
Par la suite, nous nous limiterons aux
réactions de combustions à pression
constante car, dans la plupart des cas, la
différence entre Q v et Qp est négligeable.
2 - Enthalpie standard de formation
Définition : On appelle Enthalpie Standart de formation  f H 0 d’un constituant , l’énergie
thermique reçue lors de la réaction de formation d’une mole de ce constituant. Elle s’exprime
en J.mol-1 ou J/mol
On note  f H 0 ( X) l’enthalpie standard de formation de l’espèce chimique X.
Remarque : L’énergie interne, comme l’enthalpie n’est définie qu’à une constante additive
près ; aussi choisit-on des conditions arbitraires de température et de pression pour lesquelles
on attribue par convention, une enthalpie nulle à certains corps (le plus souvent il s’agit de
corps formés d’une seule sorte d’atomes).
On choisit, le plus souvent, pour cet état de référence, les conditions standards pression
Atmosphérique de 1 bar et une température de 25 C .
Exemples
 Si  f H 0 ( X)  0 la formation de X absorbe de l’énergie
 Si  f H 0 ( X)  0 la formation de X libère de l’énergie
3 - Enthalpie de combustion
Définition ; On appelle enthalpie de combustion d’un combustible  C H 0 l’énergie
thermique absorbée par la réaction complète d’une mole de combustible avec le dioxygène
( le plus souvent à 1bar et 25°C) Elle s’exprime en J.mol-1 ou J/mol
Remarque : Les enthalpies de combustion sont de signe négatif , ce qui signifie que la
réaction libère de l’énergie. Exemple  f H 0 (C4 H 10 )  2,9.106 J / mol à 25°C
4 - Calcul d’une enthalpie de combustion : loi de Hess
Si un l’équation d’une réaction de combustion s’écrit :
n1.Réactif1 + n2.Réactif2 +…
m1.Produit1 + m2.produit2 + …
Alors :  C H 0   m j   f ( Produit j)   m i   f ( Réactif i)
j
i
avec ni et mj les coefficient stoechiométriques de la réaction :
Exemple 1 : Calcul de l’enthalpie de réaction du butane (voir tableau des  f H 0 )
Remarque : En ramenant les produits de la combustion à 25 C , il y a condensation de l’eau
!
Exemple 2 : Calcul de l’enthalpie de réaction de l’octane
B - Pouvoir Calorifique ou energie de combustion d’un combustible
Le pouvoir calorifique (ou chaleur de combustion) d'un combustible est l'énergie
dégagée sous forme de chaleur par la réaction de combustion par le dioxygène par unité
de masse dans les conditions normales de température et de pression.C’est donc l'opposé
de l'enthalpie de réaction de combustion .
Elle est exprimée en général en kilojoules par kilogramme (kJ/kg ou kJ·kg-1), mais on
rencontre également le pouvoir calorifique molaire (en kilojoules par mole, kJ/mol) ou le
pouvoir calorifique volumique (en kilojoules par litre, kJ/L).
Il existe deux types de pouvoir calorifique :
 Le pouvoir calorifique supérieur (PCS) :
C'est l’énergie thermique libérée par la combustion d'un kilogramme de combustible. Cette
énergie comprend la chaleur sensible, mais aussi la chaleur latente de vaporisation de l'eau,
généralement produite par la combustion. Cette énergie peut être entièrement récupérée si la
vapeur d'eau émise est condensée, c'est-à-dire si toute l'eau vaporisée se retrouve finalement
sous forme liquide .
 Le pouvoir calorifique inférieur (PCI) :
C'est l’énergie thermique libérée par la combustion d'un kilogramme de combustible sous
forme de chaleur sensible, à l'exclusion de l’énergie de vaporisation (chaleur latente) de l'eau
présente en fin de réaction.
Dans un moteur et en particulier un réacteur , il est impossible de recondenser la vapeur
d’eau produite par la combustion, c’est donc le PCI qu’il faut prendre en compte.
Remarque : PCS  PCI  m H 2O  L H 2 0 avec LH2O Chaleur latente de vaporisation de l’eau
Exemples :
Le Kerosene : Pouvoir calorifique: 43 105 kJ/kg
Exercice : calculer le PCI de l’heptane à partir des enthalpies de formation du tableau
précédent, le comparer à celui de l’essence.
Exercices
Exercice n°1:
détermination d'un alcane
Un alcane, présent dans le carburant GPL, a pour masse molaire M = 58 g.mol-1.
1- Écrivez la formule générale d'un alcane a n atomes de carbone.
2- Trouvez l'expression de la masse molaire de l'alcane en fonction de n.
3- Déterminez sa formule brute.
4- Combien y-a-t-il de formules developpées possibles ? Représentez-les.
Exercice n°2:
combustion du gasoil
Un des principaux constituants du gasoil a pour formule brute C16H34.
1- A quelle famille d'hydrocarbures appartient ce constituant ?
2- La combustion complète de ce compose a pour équation: C16H34 + 49/2 O2 → 16 CO2 + 17 H2O
Calculer le volume de dioxygene nécessaire pour brûler 1 kg de carburant assimile a C16H34.
3- Sachant que l'air contient 20 % en volume de dioxygene O2, déduire de la question précédente le
volume d'air utile.
4- En fait une partie du gasoil subit une combustion incomplète. A quelle condition une combustion
est-elle incomplète ?
5- Dans certaines conditions, la combustion de C16H34 produit uniquement du monoxyde de carbone et
de l'eau.
Écrire l'équation bilan de cette réaction.
Exercice n°3:
mélange carburant - air
On désire étudier la richesse du mélange « carburant- air » admis dans un cylindre d’un moteur
thermique. La richesse de ce mélange est caractérise par un coefficient note λ:
Si λ< l, on dit que le mélange est riche.
Si λ > 1, on dit que le mélange est pauvre.
On admettra que le carburant utilise est principalement constitue d'octane de formule brute C8H18.
Dans les conditions du fonctionnement étudié,
- le volume d'un cylindre du moteur est de 400 cm3
- la masse de carburant a l’état gazeux injectée par cylindre et par admission est de 22,8 mg
- le volume molaire gazeux est de 30 L.mol-1
l- A quelle famille d’hydrocarbures l’octane appartient-il ? Justifier.
2- Écrire et équilibrer l’équation bilan de la combustion complète de 1‘octane.
3- Calculer la quantité de dioxygene nO2, exprimée en moles admise dans un cylindre pour assurer une
combustion dans les conditions stœchiométriques.
4- En déduire le volume de dioxygene VO2, et le volume d'air Vair correspondants.
Rappel: : l'air comporte 20% de dioxygene en volume.
5- Le coefficient λ, sans unité, est alors défini par le rapport:  
V
V0
ou V est le volume d'un cylindre du moteur et V0 le volume d’air nécessaire a la combustion du
carburant dans les conditions stœchiométriques dans un cylindre. Ces deux volumes sont pris dans les
mêmes conditions de température et de pression.
Déterminer λ, au centième prés, dans ces conditions.
6- Le mélange est-il riche ou pauvre ? Justifier
Exercice n°4: pots catalytiques
Les pots catalytiques sont utilises pour éliminer les espèces les plus toxiques présentes dans les gaz
d'échappement des moteurs a combustion interne: il s'agit principalement du monoxyde de carbone
CO, du monoxyde d'azote NO, et des hydrocarbures imbrûlés de formule moyenne C8H18.
1- Les melanges de CO et de NO sont transformes en CO2 et en N2. Établir l'equation de cette reaction
avec les nombres stœchiométriques entiers les plus petits possibles..
2- Déterminer l'énergie de réaction Er. La réaction est-elle exo ou endothermique ?
3- A quelle famille appartiennent les hydrocarbures imbrûlés (justifier) ?
4- Les hydrocarbures imbrûlés sont oxydes (réaction avec le dioxygene) en CO2 et en H2O. Établir
l'équation de cette réaction
Exercice n°5:
pouvoir calorifique du butane
Une bouteille de butane contient 13 kg de cet hydrocarbure de formule C4H10 conditionne a l'état
liquide.
1- Écrire l'équation chimique équilibrée de la combustion complète du butane dans le dioxygene,
mettant en jeu une mole de butane.
2- Quel est le nombre de moles de butane que contient la bouteille ?
3- Quel est le volume d'air nécessaire a la combustion du contenu de la bouteille ? On négligera la
quantité de gaz résiduel qui ne sort pas de la bouteille.
4- Écrire les formules developpées des différentes espèces mises en jeu dans la réaction de
combustion.
5- En déduire l'énergie molaire de réaction Er.
6- On appelle « pouvoir calorifique massique » l'énergie thermique libérée par la combustion d'un
kilogramme de combustible. Déterminer le pouvoir calorifique massique (en kJ.kg-1) du butane.
7- En déduire l'energie thermique totale obtenue en brulant le contenu d'une bouteille de 13 kg de
butane.
Exercice n°6:
combustion des carburants dans l'air
On désire comparer l'essence, le gazole et le GPL; l'essence sera modélisée par le nonane (9 atomes de
carbone), le gazole par l'heptadecane (17 atomes de carbone) et le GPL par le butane.
1- Écrire les réactions de combustion complète de ces trois hydrocarbures dans l'air.
Le rendement des moteurs n'est pas le meme suivant le carburant qu'ils utilisent; par exemple, un
même véhicule motorise différemment consomme 7,5 L de gazole, 9,0 L d'essence ou 10,5 L de GPL
par 100 km.
2- Calculer la quantité de matière de butane, de nonane ou d'heptadecane que consomment ces
moteurs pour 100 km si la combustion est complète.
Masses volumiques en kg/L: gazole: 0,84 essence: 0,74 GPL: 0,56
3- Pour une automobile, on précise désormais la masse de dioxyde de carbone qu'elle rejette a chaque
kilomètre.
Déterminez cette masse pour les trois moteurs étudiés.
4- On lit dans la presse que les moteurs Diesel qui consomment moins rejettent moins de dioxyde de
carbone: qu'en pensez- vous ?
5- Quels autres gaz sont émis lors de la combustion des carburants ?
Téléchargement
Explore flashcards