Exercices sur le chapitre «Les combustions» Exercice n 1 : Lire l extrait de texte ci-dessous avant de répondre aux questions posées.

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1 Execices su le chapite «Les combustions» Execice n 1 : Lie l extait de texte ci-dessous avant de éponde aux questions posées. Essence et envionnement De nombeuses activités humaines sont susceptibles de pollue l'atmosphèe. Ces pollutions mettent en dange la santé des hommes, dégadent les essouces biologiques et les systèmes écologiques. Même si la pollution domestique a une contibution nettement supéieue à celle de l'automobile, cette denièe paticipe de façon non négligeable à la détéioation de la qualité de l'atmosphèe. En effet, l'automobile, en généal, epésente, dans la pollution de l'envionnement, 15 % du dioxyde de cabone ( CO ), 6 à 7 % du monoxyde de cabone ( CO), à 5 % des oxydes d'azote ( NO x ), % des hydocabues imbûlés, 5 % du dioxyde de soufe ( SO ), mais sutout 9 % du plomb. Le monoxyde de cabone est un gaz incoloe, inodoe, issu de la combustion incomplète du cabuant. Il affecte les systèmes neveux et cadiovasculaies, se fixe su l'hémoglobine à la place du dioxygène entaînant alos asthénie, maux de tête, vetige, et ce, même à tès faible concentation (des symptômes d'hypeventilation peuvent se faie senti dès que sa concentation dans l'ai atteint à 5 µ g.l d'ai). Les hydocabues imbûlés poviennent également d'une combustion incomplète; ils sont émis pa les pots d'échappement mais aussi pa évapoation los du avitaillement, de l'aêt et de la mache du véhicule. Les hydocabues considéés sont essentiellement des aomatiques comme le benzène, le toluène, l'éthylbenzène et sont soupçonnés d'ête des agents cancéigènes. Texte extait de l ouvage «Ecolochimie - Chimie appliquée à l envionnement» Ed. Cultues et Techniques 1 question : Écie la éaction de combustion complète de l octane (un des constituants de l essence). question : Écie la éaction de combustion incomplète de l octane en admettant que celle-ci ne founisse que du monoxyde de cabone et de l eau. question : Compae les deux éactions et conclue quant à une des causes de fomation du monoxyde de cabone. question : Des symptômes gaves appaaissent dès que la concentation du monoxyde de cabone atteint à 5 µ g.l d'ai. Expime cette concentation de monoxyde de cabone dans l ai en p.p.m. ( patie pou million ). 5 Réponses : 1 ) C 8 H 18 O 8 CO 9 H O 17 ) C 8 H 18 O 8 CO 9 H O ),7 p.p.m. Execice n : Pouvoi caloifique du méthane Définition : Le pouvoi caloifique d un combustible epésente la chaleu dégagée pa la combustion complète de l unité de quantité de combustible (soit 1 kg pou un combustible solide ou liquide ou 1 m - volume mesué dans les conditions nomales - pou les gaz), le combustible et le combuant étant à C et les poduits de la combustion étant amenés à C. Le pouvoi caloifique d un combustible gazeux s expime souvent en kwh.m. Page 1

2 Pouvoi caloifique supéieu (P.C.S.) et pouvoi caloifique inféieu (P.C.I.) La condensation de l eau est exothemique. Si on amène l eau fomée los de la combustion, à l état liquide, la chaleu dégagée est alos plus impotante ; la chaleu dégagée, dans ces conditions, epésente le pouvoi caloifique supéieu ( P.C.S.) du combustible. Si l eau fomée n est pas amenée à l état liquide, la chaleu dégagée coespond, alos, au pouvoi caloifique inféieu ( P.C.I.) du combustible. L execice qui suit a pou but d évalue le P.C.S. et le P.C.I. du méthane. 1 question : A l aide des données founies, évalue la chaleu de la éaction de combustion complète 5 du méthane, dans les conditions de tempéatue et de pession suivantes : 5 C, 1,1.1 Pa. On amène l eau fomée à l état liquide. question : Évalue la chaleu de la éaction de combustion complète du méthane, le combustible et le combuant étant pis dans les conditions nomales de tempéatue et de pession ( C, 5 1,1.1 Pa ), à l aide des données founies. On amène les poduits fomés dans les conditions nomales de tempéatue et de pession ; l eau fomée étant à l état liquide. question : Évalue la chaleu de la éaction de combustion complète du méthane, le combustible et le combuant étant pis dans les conditions nomales de tempéatue et de pession ( C, 5 1,1.1 Pa ), à l aide des données founies. On amène les poduits fomés dans les conditions nomales de tempéatue et de pession ; l eau fomée étant à l état vapeu. Espèces chimiques CH CO 1 O H O ( l ) H (en kj.mol ) à - 7,85-9,5-85,8 f Les capacités themiques molaies, à pession constante, en J.K 1. mol, sont : CO ( g) O g ( ) H O ( l ) CH ( g),. 1 T 8,,. 1 T 75,7 5,75 Enthalpie standad de vapoisation de l eau : vap H (à 7 K ) =,96 kj. mol. question : En assimilant le méthane à un gaz pafait, calcule le nombe de moles de méthane contenues dans «un mète-cube nomal» pafois noté m ( n ). 5 question : Déduie des questions pécédentes les valeus du P.C.S. et du P.C.I. du méthane en kwh.m (n). 6 question : Dans les manuels de themique, on peut lie : Pou tous les gaz natuels iches en méthane, on etouve sensiblement la elation suivante : Commente. Réponses patielles : 1 ) P.C.I. P.C.S.,9 Page

3 Réaction de combustion complète du méthane : CH O CO H O ( l) l H (CH ) = f H (CO ) f H ( H O ( ) ) f H (CH ) f H (O ) H (CH ) = 89,1 kj. mol ) et ) L enthalpie est une fonction d état ; les vaiations d enthalpie ne dépendent pas du «chemin suivi» ente l état initial et l état final. CO ( g ) H O ( l ) à Refoidissement H CO ( g ) H O ( l ) à 7 K H CH ( g ) O à Réaction Vapoisation H H = H 1 H H H 1 Echauffement isobae CH ( g ) O à 7 K H = H H CO ( g ) H O à 7 K H 1 = C p (CH ) dt C p (O ) dt 7 K 7 K 7 K 7 K H l = C p (CO ) dt C p ( H O ( ) ) dt H = vaph ( H O ( l) ) H (CH ) = 89,71 kj. mol ; H ' (CH ) = 8,8 kj. mol 5 ) P.C.S. (CH ) 11,7 kwh. m = ; P.C.I. (CH ) = 9,95 kwh. m Remaque : Pou du gaz de Lacq (envion 97 % de méthane), le calcul donneait : P.C.S. = 11, kwh.m et P.C.I. = 1, kwh.m. Page

4 Execice n : 1 question : Estime la tempéatue maximale théoique des gaz issus de la combustion du mélange méthane / ai dans les popotions stœchiométiques, en admettant que la chaleu de combustion soit entièement tansféée aux poduits de la éaction (on pale aussi de tempéatue adiabatique de flamme). question : La tempéatue théoique atteinte est, en éalité, assez difféente* de la tempéatue que l on peut mesue effectivement. A vote avis, pouquoi? * Dans le cas paticulie du méthane, la tempéatue de combustion est tès poche de 1 C. Enthalpie standad de combustion du méthane : H (à 7 K ) = 6,91 kj. mol. vap H (CH ) = 89,1 kj. mol (eau liquide). L ai compote 8 % de diazote et % de dioxygène Les capacités themiques molaies, à pession constante, en J.K 1. mol, sont : CO H O H O ( l ) (g ),16 9,.1 T,1 1,7.1 T 75,7 7,88,7.1 T Réponses : N CO ( g ) 8 N à H O ( l ) à 7 K Vapoisation H CO ( g ) 8 N à H O à 7 K H 1 Echauffement isobae de l eau CO ( g ) H O ( l ) 8 N à Echauffement H H Réaction 7 K à H 1 = C p ( H O ( ) ) dt CH ( g ) O 8 N l H = vaph ( H O ( l) ) H = CO ( g ) 8 N H O ( l ) à T tempéatue inconnue Page

5 T C p (CO ) dt C p ( H O ) dt T H = 8 C p ( N ) dt 7 K T H 1 = On a donc l équation suivante : H H H On obtient une équation du second degé ; il faut élimine la acine qui ne convient pas (négative). T 9 K (1956 C) ) A cette tempéatue, il y a dissociation d une patie des composés ; les capacités caloifiques sont, alos, modifiées. Les petes pa conduction et pa ayonnement inteviennent également de sote que la tempéatue de flamme éelle est plus poche de 1 C. La tempéatue adiabatique de flamme est un citèe intéessant pou compae dives combustibles et pou étudie l influence des conditions de combustion ( excès d ai, défaut d ai, péchauffage du combustible, ). Execice n : Les chaleus de éaction, et les pouvois caloifiques, en paticulie, sont mesués, expéimentalement, dans des bombes caloimétiques ; les tansfomations étudiées sont alos isochoes et l on détemine les chaleus de éaction à volume constant ( Q v ). La combustion des cabuants, dans les chambes de combustion ou dans les foyes s effectuent, le plus souvent, à pession constante ( isobaes ) ; les chaleus de éactions à pession constante ( Q p ) sont alos déteminantes. On constate qu il est essentiel de connaîte la elation ente les chaleus de éaction Q v et Q p ; c est le but de l execice qui suit. 1 question : Écie la éaction de combustion complète d un hydocabue de fomule bute C x H y. question : La éaction pécédente est étudiée à la tempéatue de éféence T. A cette tempéatue, tous les composés sont gazeux sauf l hydocabue que l on suppose liquide ; monte que l on obtient, ente les chaleus de éaction, la elation suivante : y Q v = Q p R T On admet que les gaz se compotent comme des gaz pafaits. R est la constante des gaz pafaits. question : En appotant les quantités de chaleu à l unité de masse de combustible, on peut obteni une elation simple ente les pouvois caloifiques à pession constante ( Pc, p ) et à volume constant ( v Pc, ) à la tempéatue de éféence T. Quelle est cette elation? question : En appliquant cette fomule aux cabuants liquides usuels, on constate que les pouvois caloifiques ne difféent patiquement pas, même dans les cas les plus défavoables. Application : Calcule le pouvoi caloifique, à pession constante, de l octane, à la tempéatue de éféence de 5 C. «Le pouvoi caloifique d une essence fançaise est de l ode de kj.kg obtenu est-il en accod avec cette affimation? Page 5». Le ésultat

6 Quel est l écat elatif ente les pouvois caloifiques de l octane, à T =? Conclue. Enthalpies standads de fomation, à T = : Espèces chimiques 8 H 18 ( ) C l CO (g ) O H O H (en kj.mol ) à - 56, - 9,6-1,9 f Masses molaies atomiques (en 1 g.mol ) : C = 1 H = 1 Réponses : 1 ) C xh y ( l ) y y ( x ) O x CO H O ) H = Q p et U = Q v ; H = U ( pv ) avec ( pv ) = R T ( n ) ) P 75 kj. kg c,p L essence est un mélange complexe qui ne contient pas que de l octane! Néanmoins, le ésultat obtenu est en accod avec l affimation. L écat elatif ente les pouvois caloifiques est de l ode de, %. Execice n 5 : Calcule le pouvoi fumigène du popane commecial. Définition : Le pouvoi fumigène est le volume, mesué dans les conditions nomales, des poduits de la combustion complète de 1 m ( n ) de gaz «associé à l ai stœchiométique». Les gaz qui ne paticipent pas à la combustion doivent ête inclus dans le calcul. Composition, en volume, du popane commecial : Popane : ( C H 8 ) : 65,5 % Popène : ( C H 6 ) :, % Ethane : ( C H 6 ) :, % Butane : ( C H 1 ) :, % Ethylène : ( C H ) :,5 % Dioxygène : 1, % Composition, en volume, de l ai sec : Diazote : 79, % Réponse : L eau étant poduite à l état de vapeu, le pouvoi fumigène calculé coespond au pouvoi fumigène «humide». Il faut écie toutes les éactions de combustion complète!.et faie un bilan molaie de chaque équation : C H 8 5 O CO H O Page 6

7 x mol 5 x mol x mol x mol 9 y mol,5 y mol y mol y mol C H 6 O CO H O 7 z mol,5 z mol z mol z mol C H 6 O CO H O 1 a mol 6,5 a mol a mol 5 a mol C H 1 O CO 5 H O C H O CO H O avec : b mol b mol b mol b mol x V On en déduit : A.N. : Le volume de dioxyde de cabone et d eau est égal à : m,cntp V 6,7 m V = (7 x 6 y 5 z 9 a b ) 65,5 = VC H = 1 m ; 8 1 y V m,cntp V m,cntp, = VC H = 1 m ; etc ,5,,,,5 V = ( ) 1 m Le volume de gaz inete (diazote) est égal à 79 % du volume d ai. Le volume de dioxygène est, quant à lui, égal à 1 % du volume d ai : VN = VO = (5 x,5 y,5 z 6,5 a b) V m,cntp 1 1 Compte tenu des expessions de x, y, z, etc, on obtient : A.N. : V N = 79 1 V 18, m N V O Le pouvoi fumigène vaut, alos : = 79 65,5 (5 1 1,9 m (dont,,5 1,,5 1,7 m d eau et, 6,5 1 Bien note que la composition de l ai que nous utilisons n est qu appoximative!,5 ) 1 m 1, m de dioxyde de cabone). Page 7

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