Chapitre 2 Combustion 1
Nous étudierons dans ce chapitre le mode de production de chaleur le plus couramment rencontré dans l industrie. Nous nous limiterons au bilan énergétique et non aux processus de la formation et du développement des flammes et à leur théorie. Ce chapitre aidera à la compréhension du phénomène de combustion. Il permet aussi d aborder et traiter les problèmes de combustion technique les plus courants. 2
I. GénéralitG ralités : La combustion est une réaction r chimique d oxydation d un d combustible par un comburantc omburant. Les produits de combustion s appellent s aussi gaz brûlés s ou fumées. La combustion fournit de l'énergie calorifique et émet généralement g de la lumière. Le développement d de la société industrielle moderne et la sauvegarde de l'environnement se fondent sur la maîtrise de cette réaction r de combustion. 3
Dans un phénom nomène ne de combustion, les corps en présence sont les suivants : LE COMBUSTIBLE LE COMBURANT LE PRODUIT DE COMBUSTION Les combustibles sont des corps susceptibles de se combiner à l oxygène par une réaction d oxydation exothermique. L oxydation doit être assez vive pour se poursuivre normalement après amorçage. 4
3 catégories de combustibles : COMBUSTIBLES SOLIDES COMBUSTIBLES LIQUIDES COMBUSTIBLES GAZEUX 5
Cependant, quelle que soit la nature du combustible, la réaction de combustion proprement dite ne peut avoir lieu que lorsque les réactifs sont sous forme gazeuse Si le combustible n'est pas à l'état gazeux, il se vaporise ou se sublime préalablement (éventuellement après décomposition chimique). 6
Les combustibles solides : Tous les combustibles solides sont d'origine végétale à l exception des propergols (carburants pour fusées). L'uranium et les autres corps radioactifs, qui produisent de l'énergie par fission nucléaire, ne sont pas des combustibles au sens précis du terme car, lors de leur utilisation, ils ne participent à aucune réaction de combustion. 7
Les combustibles solides : Le bois : Encore largement utilisé dans le monde sous sa forme brute, le bois est par ailleurs un des facteurs de la désertification d surtout dans les zones subsahariennes. 8
Le charbon : désigne les combustibles solides résultant de la décomposition d et de la fossilisation de la végétation. v Selon leur degré d'évolution, et leur teneur en carbone et en eau, on distingue la tourbe (une matière encore très s humide et au pouvoir calorifique peu élevé,, résultat r d'une décomposition d sommaire) le lignite la houille l'anthracite 9
Les combustibles liquides : Les combustibles liquides, voire gazeux, proviennent généralement du pétrole, qui est un mélange d'hydrocarbures, c'est-à-dire de composés à base de carbone C et d'hydrogène H, auxquels s'ajoutent essentiellement du soufre S, de l'oxygène O et de l'azote N. 10
Les plus fréquemment utilisés sont : l air Les comburants : qui comprend principalement de l oxygène, de l azote, de la vapeur d eau et du CO 2. l oxygène pur. Ils peuvent être incorporés préalablement au combustible soit : sous forme d alliage chimique, sous forme d air ou d oxygène liquide, comme par exemple dans les explosifs et dans les carburants pour fusées. 11
Composition de l air atmosphérique : Substance Pression partielle (bar) Mol de i / mol d air N 2 O 2 Ar H 2 O CO 2 0.7665 0.2056 0.0091 0.0316 0.0003 0.7565 0.2030 0.0090 0.0312 0.0003 12
II. Equations chimiques de base : La combustion du carbone C, de l hydrogène H et du soufre S donne lieu aux équations chimiques de base suivantes : Combustion du carbone C + O 2 CO 2 h 0 = - 32 760 J/g C C + ½ O 2 CO h 0 = - 9 200 J/g C CO + ½ O 2 CO 2 h 0 = - 10 100 J/g CO Combustion de l hydrogène H 2 + ½ O 2 H 2 O liq h 0 = - 141 800 J/g H 2 H 2 + ½ O 2 H 2 O vap h 0 = - 120 000 J/g H 2 Combustion du soufre S + O 2 SO 2 h 0 = - 9 250 J/g S 13
h o est appelée chaleur de réaction ou enthalpie de réaction (par les chimistes et les physiciens). h o est appelée pouvoir énergétique (par les thermiciens). h 0 est définie pour des conditions de référence P 0 et T 0 qui sont en général les valeurs standards : P 0 = 1 atm 1,01325 bar = 101325 Pascal. T 0 = 25 C = 298,15 K. 14
Les grandeurs molaires ou massiques sont reliées par : H 0 = M. h 0 M la masse molaire du combustible. Les équations de base ci-dessus donnent lieu aux valeurs molaires suivantes : C + O 2 CO 2 H 0 = - 393 500 J/mol C C + ½ O 2 CO H 0 = - 110 500 J/kg C CO + ½ O 2 CO 2 H 0 = - 283 000 J/mol CO H 2 + ½ O 2 H 2 O liq H 0 = - 285 900 J/mol H 2 H 2 + ½ O 2 H 2 O vap H 0 = - 241 800 J/mol H 2 S + O 2 SO 2 H 0 = - 296 600 J/mol S 15
La combustion des hydrocarbures donne lieu à des équations chimiques plus complexes dont voici quelques exemples : Méthane CH 4 : CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O liq H o = - 890 400 J/mol CH 4 CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O vap H o = - 802 300 J/mol CH 4 Ethylène C 2 H 4 : C 2 H 4 + 3O 2 2CO 2 + 2H 2 O liq H 0 = - 1 411 000 J/mol C 2 H 4 C 2 H 4 + 3O 2 2CO 2 + 2H 2 O vap H 0 = - 1 323 000 J/mol C 2 H 4 Ethane C 2 H 6 : C 2 H 6 + 7/2 O 2 2CO 2 + 3H 2 O liq H 0 = - 1 560 000 J/mol C 2 H 6 C 2 H 6 + 7/2 O 2 2CO 2 + 3H 2 O vap H 0 = - 1 428 000 J/mol C 2 16H 6
Le pouvoir énergétique H o de tout hydrocarbure peut se déduire de ceux des éléments de base C et H 2. Mais il ne peut pas être calculé simplement par la règle des mélanges, car il faut tenir compte de la chaleur de formation de l hydrocarbure. 17
Exemple : Pour le méthane CH 4, les équations précédentes donnent : C + O 2 CO 2 H o = - 393 500 J/mol C H 2 + ½ O 2 H 2 O vap H o = - 241 800 J/mol H 2 C 1 x 393 500 = - 393 500 J/mol de C H 4 2 x 241 800 = - 483 600 J/mol de H 2 Chaleur de formation de CH 4 = 74 800 J/mol CH 4 Le pouvoir énergétique du mélange CH 4 = - 802 300 J/mol CH 4 Attention! Une simple règle de mélange conduit à une erreur inadmissible de 9,3 %. 18
Exemple de combustion : Moteur à combustion interne La combustion, pour se faire, requière trois paramètres: - un combustible (pour l'automobile, le carburant) - un comburant (pour l'automobile l'oxygène de l'air) -une source de chaleur (pour l'automobile l'étincelle de la bougie ou la pression dans la chambre de combustion) La formule chimique d'une combustion stœchiométrique est : C m 79,1 m m 79,1 H + (n + ))(O + ( )) N nco + H O + (n + )( ) N m 4 2 20,9 2 2 2 2 4 20,9 2 n + chaleur 19
COMBUSTION ESSENCE (Heptane) : C 7 H 16 + 11O 2 + 44N 2 => 7CO 2 + 8H 2 O + 44N 2 + Chaleur dosage stœchiométrique : 1g d'essence pour 15,1g d'air COMBUSTION GAS-OIL (Cétane): C 16 H 34 + 24,5(O 2 + 4N 2 ) => 16CO 2 + 17H 2 O + 98N 2 + Chaleur dosage stœchiométrique 1g de gas-oil pour 14,88g d'air 20
III. Pouvoir énergétique à volume constant: Le pouvoir énergétique à volume constant P ev d un combustible B est la grandeur définie par la relation (sous forme massique ou molaire) : P ev = - u 0 = U M0 l énergie interne du mélange initial M dans les conditions de référence P 0 et T 0 (valeurs standards : P 0 = 1 atm 1,01325 bar = 101325 Pas et T 0 = 25 C). U Rc0 l énergie interne des produits finaux de combustion résultant d une combustion complète dans les mêmes conditions de référence. m B la masse du combustible B en kg. U M0 - m B U Rc0 21
On parle souvent de pouvoir calorifique, nous utiliserons l expression pouvoir énergétique car les produits de combustion sont utilisés dans les machines thermiques aussi bien pour produire de l énergie-travail (moteur) que de l énergie-chaleur (chaudière). 22
Détermination expérimentale : Considérons la combustion complète d un mélange M dans une enceinte indéformable et fermée. A l état initial le mélange M de combustible B et de comburant A se trouve dans un état de référence caractérisé par P 0 et T 0. La combustion est déclenchée, par exemple, par une étincelle électrique. Une énergie-chaleur est ensuite extraite par un thermostat de façon que la température des produits de combustion Rc soit ramenée à la température de référence T 0, la pression finale P Rc étant en général différente de la pression initiale P 0. 23
Le bilan de masse s écrit : m Rc = m M = m B + m A En divisant par la masse du combustible m B nous obtenons la relation sans dimension : xb Rc = 1 + xb L x B L x B Rc : Le rapport d air : Le rapport de produits de combustion 24
Le premier principe pour système fermé s écrit : U t = U = E + + Q + On considère, pour l expérience, les conditions suivantes : Parois indéformables E + = 0 Etat de repos initial et final E c = 0 Pas de déplacement vertical Z = 0. L expression du premier principe s écrit ainsi : Q v = - U = U M (P 0,T 0 ) U Rc (P Rc,T 0 ) Si l on admet que les produits de combustion R c se comportent pratiquement comme des gaz semi-parfaits, leur énergie interne est quasiment indépendante de la pression, nous pouvons écrire : U Rc (P Rc,T 0 ) U Rc (P 0,T 0 ) 25
q B v En divisant tous les termes de l équation donnant par la masse du combustible m B et en tenant compte de l égalité précédente nous obtenons l énergie-chaleur massique : Q - v q B v Q v m = B U M0 - m B U Rc0 La comparaison de cette équation avec celle donnant P ev montre bien l égalité : P ev = - u 0 = q B v L énergie-chaleur dégagée par la combustion isochore de l unité de masse du combustible (dans les conditions standards de pression et de température) se confond avec le pouvoir énergétique à volume constant du combustible. 26
H - H M0 Rc0 mb IV. Pouvoir énergétique à pression constante: Le pouvoir énergétique à pression constante P ep d un combustible B est la grandeur définie par la relation (sous forme massique ou molaire) : P ep = - h 0 = H M0 - m B H Rc0 H M0 l enthalpie du mélange initial M dans les conditions de référence P 0 et T 0 (valeurs standards). H Rc0 l enthalpie des produits finaux de combustion résultant d une combustion complète dans les mêmes conditions de référence. m B la masse du combustible B en kg. 27
Détermination expérimentale : Considérons la combustion complète d un mélange M dans une enceinte fermée et déformable de façon à maintenir la pression constante. A l état initial le mélange M de combustible B et de comburant A se trouve dans un état de référence caractérisé par P 0 et T 0. L expérience est analogue à celle décrite dans le paragraphe précédent, mais cette fois-ci le système est isobare et non isochore. 28
Le système ici échange du travail (paroi déformable) : E + = - P 0 v Le premier principe s écrit : Q P = - U P 0 V = - (U + P 0 V) = - H = H M (P 0,T 0 ) H Rc (P 0,T 0 ) En divisant par la masse du combustible m B, nous obtenons l énergie-chaleur massique : q B P = Q m P B = H M0 m H Rc La comparaison avec la relation donnant P ep, montre B bien l égalité : P ep = - h 0 = q B P 29
L énergie-chaleur dégagée par la combustion isobare de l unité de masse du combustible (dans les conditions standards de pression et de température) est égale au pouvoir énergétique à pression constante du combustible. Remarque : Le pouvoir énergétique à pression constante P ep est égal à l énergie-chaleur massique qu il faut extraire d un système ouvert en régime permanent siège d une combustion complète isobare afin que les produits de combustion R c sortent à la même température que celle du mélange M initial. 30
Considérons la combustion complète d un système schématisé par la figure ci-dessous. En négligeant les variations des énergies cinétique et potentielle, le premier principe s écrit : Q& P = H& M(P0,T 0 ) - H& (P0,T 0 ) Rc / m B q P = h M (P 0,T ) 0 - h Rc (P 0,T ) 0 = - h 0 31
V. Comparaison de P ev et P ep : P ep = - h 0 = q B P = H M0 H m B Rc0 Soit - H 0 = H M0 -H Rc0 = (U M0 -P 0 V M0 ) - (U Rc0 + P 0 V Rc0 ) = - U 0 -(V Rc0 -V M0 )P 0 = - U 0 -(V Rc0 -V M0 )P 0. Ou - U 0 = H 0 + P 0 V Or P ep = - h 0 et P ev = - u 0 P ev -P ep = P 0 V > 0. 32
VI. Pouvoirs énergétiques supérieurs et inférieurs : Les pouvoirs énergétiques supérieurs d un combustible sont les grandeurs P evs et P eps correspondant aux définitions précédentes lorsque l eau contenue dans les produits de combustion se présente sous forme liquide. Les pouvoirs énergétiques inférieurs d un combustible sont les grandeurs P evi et P epi correspondant aux définitions précédentes lorsque l eau contenue dans les produits de combustion se présente sous forme gazeuse (vapeur d eau). 33
La distinction entre les pouvoirs énergétiques Inférieurs et supérieurs n intervient que pour les combustibles contenant de l hydrogène ou de l eau. Exemple : Soit un mazoute ayant une teneur de en hydrogène de 11% en masse. Lors de la combustion de 1 kg de mazoute, il apparaît (18 x110)/2 = 990 g de vapeur d eau. Dans les conditions de température de l expérience, la chaleur latente de vaporisation de l eau est l = 2300 kj/kg, on a donc P evi = P evs - 2300 x 0.990 = P evs 2277. Pour le mazoute P evs = 42000 kj/kg (différence de 5%) 34
Remarque : Parmi les quatre pouvoirs énergétiques P ev, P ep, P eps et P epi définis ci-dessus, dans la pratique, c est le pouvoir énergétique inférieur à pression constante P epi qui est le plus utilisé. Ceci est du au fait que les combustions qui ont lieu dans les machines thermiques se font généralement en systèmes ouverts fonctionnant en régime permanent (pression sensiblement constante) et l eau qui apparaît dans les gaz de combustion est à l état vapeur et reste dans cet état dans l atmosphère. 35
Quelques Valeurs moyennes de pouvoirs énergétiques inférieurs à pression constante : Combustible Etat P eps (kj/mol) P epi (kj/m C Graphite Solide 393,5 393,5 CO Mono. Carbone Gaz 283,0 283,0 H 2 Hydrogène Gaz 285,9 241,8 S Soufre Solide 296,6 296,6 CH 4 Méthane gaz 890,4 802,3 C 2 H 2 Acétylène Gaz 1300,0 1256,0 C 2 H 4 Ethylene Gaz 1411,0 1323,0 C 2 H 6 Ethane Gaz 1560,0 1428,0 CH 3 OH Méthanol Liquide 727,6 638,4 Bois Solide 17600 (J/ Mazoute Liquide 42000 (J/ 36
COMBUSTIBLE COMBURANT SOURCE DE CHALEUR 37
Le pouvoir énergétique à volume constant P ev d un combustible B est la grandeur définie par la relation (sous forme massique ou molaire) : P ev Le pouvoir énergétique à pression constante P ep d un combustible B est la grandeur définie par la relation (sous forme massique ou molaire) : P ep = - u 0 = - h 0 = = q q B v B P = = Les pouvoirs énergétiques supérieurs (inférieurs) d un combustible sont les grandeurs P evs (P evi ) et P eps (P epi ) correspondant aux définitions précédentes lorsque l eau contenue dans les produits de combustion se présente sous forme liquide (sous forme gazeuse - vapeur d eau). U H M0 M0 U m B H m B Rco Rc0 38
Pouvoirs comburivores, excès s d air, d Pouvoir fumigène Le comburant le plus utilisé sous la pression atmosphérique ou en surpression est naturellement l air, l d oùd la définition d du pouvoir comburivore. 1 ) ) Pouvoir comburivore théorique α o C est la quantité d air strictement nécessaire n pour assurer la combustion d un d kilogramme de combustible. Le pouvoir comburivore théorique est noté α o et est exprimé en kg d air d par kg de combustible. 39
En écrivant les réactions r de combustion et en remarquant que l azote l N 2 ne s oxyde pas aux températures oùo a lieu la combustion (se comporte comme un corps neutre), on détermine d le pouvoir comburivore α o : α o = 1 23 8 3 C + 8 H + S - O C, H, S et O représentent les teneurs en % du combustible en carbone, en hydrogène, en soufre et en oxygène. 40
Pour éviter que la proportion d imbrd imbrûlés ne soit pas trop grande, on introduit une quantité d air α supérieure à la valeur théorique α o. Cette quantité α représente le pouvoir comburivore réelr el. 41
Facteur d air d (excès s d air) d Il est défini d par le rapport : α o Un excès s d air d diminue la teneur en imbrûlés s mais augmente, par contre, la chaleur véhiculv hiculée e par les fumées qui est dissipée e dans l atmosphl atmosphère. Cette énergie-chaleur a pour expression : (sous forme massique) q f = c pf (T f - T a ) C pf leur chaleur massique à pression constante, T f T a η = (en puissance) Q& = m &. c. (T - T ) f pf f a ṁ. représente le débit d de masse des fumées, la température des fumées sortant de la cheminée, e, la température de l atmosphl atmosphère. α 42
On peut évaluer les pertes par imbrûlés s (a) et les pertes par chaleur sensible des fumées (b) en les rapportant en pourcentage du pouvoir énergétique inférieur P epi par exemple. Pertes % Pepi (α/α ο ) optimal (a) + (b) La courbe (a) + (b) qui représente la somme des pertes présente généralement un minimum correspondant à une valeur optimal du rapport η. (b) (a) α/α ο Dans la pratique, on essaie lors de la conception et du calcul des installations thermiques de choisir pour η sa valeur optimal qui est : η opt 1,2 combustibles liquides η opt 1,4 combustibles combustibles solides 43
Pouvoir fumigène ϕ C est la masse de fumées obtenues lors de la combustion complète d un d kilogramme de combustibles. Il est noté ϕ et s exprime s en kg de combustible. Si x est la teneur en cendre du combustible, en écrivant la conservation de la masse, on a : ϕ = α + 1 - x 100 44
Exemple de calcul de α et ϕ Les réactions r de combustion sont des réactions exothermiques : C + O 2 CO 2 H 0 = - 393 500 J/mol C C + ½ O 2 CO H 0 = - 110 500 J/kg C H 2 + ½ O 2 H 2 O liq H 0 = - 285 900 J/mol H 2 Une réaction r incomplète comme celle du carbone avec l oxygène, correspond à une perte de chaleur importante, ce qui montre la nécessitn cessité d adaptation d un d excès s d aird à la combustion considérée. 45
Considérons alors 1 kg de combustible dont la composition est comme suit : 825 g de Carbone : C % = 82,5 % 115 g d Hydrogène : H % = 11,5 % 30 g de Soufre : S % = 3 % 10 g d Azote : N % = 1 % 10 g d Oxygène : O % = 1 % 10 g d Eau : H 2 O % = 1 % Cherchons la quantité d Oxygène nécessaire pour la combustion du Carbone, de l Hydrogène et du Soufre : 46
Combustion du Carbone selon la réaction : C + O 2 CO 2 La masse d une mole de carbone C est M(C) = 12 g celle d une mole d oxygène O 2 est M(O 2 )=2x16 = 32 g la combustion de 12 g de carbone C nécessite 32 g d oxygène O 2 ( mélange stœchiométrique). 1 kg du combustible contient 825 g de carbone la combustion de 825 g de carbone C nécessite 32x825 12 = 2200 g d O 2 ( mélange stœchiométrique). 47
Combustion de l Hydrogène selon la réaction : H 2 + 1/2O 2 H 2 O liq La masse d une mole d Hydrogène H 2 est M(H 2 ) = 2x1 = 2 g celle d une mole d oxygène O 2 est M(O 2 )=2x16 = 32 g la combustion de 2 g d Hydrogène nécessite 32/2 = 16 g d oxygène O 2 ( mélange stœchiométrique). 1 kg du combustible contient 115 g d Hydrogène la combustion de 115 g d Hydrogène nécessite 16x115 12 = 920 g d O 2 ( mélange stœchiométrique). 48
Combustion du Soufre selon la réaction : S + O 2 SO 2 La masse d une mole de Soufre S est M(S) = 30 g celle d une mole d oxygène O 2 est M(O 2 )=2x16 = 32 g la combustion de 30 g de Soufre nécessite 32 g d oxygène O 2 ( mélange stœchiométrique). 1 kg du combustible contient 30 g de Soufre la combustion de 30 g de Soufre nécessite 32x30 32 = 30 g d O 2 ( mélange stœchiométrique). 49
L azote ne s oxyde s pas dans les conditions usuelles de combustion, 10 g d oxygd oxygène existent déjàd dans le combustible, la combustion nécessite n donc au total : (2200 + 920 + 30) 10 = 3140 g d oxygd oxygène. Pour des conditions atmosphériques moyennes de température et de pression, on a 230 g d oxygd oxygène O 2 dans 1 kg d aird air. 3140 = 230 La masse d air d nécessaire n à la combustion de 1 kg de combustible est donc : 13,65 kg d'air C est le pouvoir comburivore théorique α 50 o.
Ce résultat r peut aussi être obtenu par application de la relation, α o = 1 23 8 3 C + 8 H + S - avec C, H, S et O les teneurs en % du combustible en carbone, en hydrogène, en soufre et en oxygène. D après s la composition du combustible : C = 82,5 % H = 11,5 % S = 3 % O = 1 % O Ce qui donne : 1 8 α = 82,5 8x11,5 3-1 = o + + 23 3 13,65kg d'air 51
Pouvoir fumigène ϕ En l absence l d imbrd imbrûlés s (x = 0) et (α( = α o ), le pouvoir fumigène ϕ vaut : ϕ = α + x 1 - = α + 1 = 100 o 14,65 kg d'air 52
Composition des fumées Cherchons à titre d exemple d la teneur en CO 2 dans les fumées. Le CO 2 provient de la réaction r : C + O 2 CO 2 La combustion d une d mole de carbone C (12( g) g libère 1 mole de CO 2 (12 + 2 x 16 = 44g). La combustion de 1 kg de combustible contenant 825 g de carbone libère donc : 44x825 12 3,025x100 = 3,025 kg de CO 2 La teneur en CO 2 des fumées est : = 20,65 % 14,65 Cette teneur permet de contrôler la combustion, à savoir si la 53 combustion est complète ou incomplète
Température de combustion T f Température théorique de combustion T t C est la température à laquelle sont portées les produits de combustion (fumées) du fait de la chaleur dégagd gagée e par la réaction. On suppose que la combustion est complète et adiabate. Pour calculer T t, on considère initialement un mélangem 1 kg T c c pc P o Etat initial A kg d air T a c pa P o P o Etat final A+1 kg de fumées T f c pf 54
Nous considérons les chaleurs massiques à pression constante car dans les installations thermiques nous avons des systèmes ouverts qui évoluent de façon isobare. La chaleur dégagd gagée e par la combustion est égale à la variation d enthalpie du système : Q p = H H = H f H i H i est l enthalpie l du mélange m initial (air( + combustible) ; H f est l enthalpie l des ( A + 1 ) kg de fumées ; Pour un gaz qui évolue à pression constante : Pour un solide : dh = cp. dt ; dh = c. dt ; Nous prenons comme température de référencer rence T = 0 C pour laquelle H = 0. 55
Nous avons donc : H f = c pa et (A + 1). T t c 0 pf. dt H i = A. T a T c c 0 pa En se ramenant à 1 kg de combustible : Q P = P epi = (A + 1). T t c 0 pf. dt - A.. dt et c pc sont en général g faibles, leurs variations en fonction de T sont donc faibles, T a c 0 pa. dt - + T c c c 0 pc 0 pc. dt. dt on les remplace par leurs valeurs moyennes : c et c pa pc Q Une formule approchée e donne la variation de c f P = P epi = (A + 1). T t (0,24 + 0 6.10-5 T).dT - A. c en fonction de T pa.t a - c pc. T 56 c
Température réelle r de combustion Elle s obtient s en tenant compte : Du taux d imbrd imbrûlés r, Des pertes thermiques Q r dues essentiellement au rayonnement, d où d : P Tt -5 (1 r) Q = (A + 1). (0,24 6.10 T).dT - A.c.T - c.t epi r + pa a pc c 0 57
EXERCICE Ecrire la réaction de combustion du propane C 3 H 8. Quelle est l énergie dégagd gagée par la combustion de 10 g de propane sachant que le pouvoir calorifique d un d alcane à n atomes de carbones vaut : (662 n + 260) kj.mol -1? Cette combustion a servi à chauffer 3 kg d eau, d dont la température de départ d vaut 15 C. Quelle est la température finale de l eau l? Les masses molaires sont : [C] = 12 g/mol, [H] = 1 g/mol. 58
La formule chimique d'une combustion stœchiométrique est : C m m H + (n + ) O nco + H O n m 2 2 4 2 2 La réaction r de combustion du propane C 3 H 8 est donc : C H + 5 O 3 CO + 4 H 2 O 3 8 2 2 La masse molaire d une d molécule de propane C 3 H 8 est : [C 3 H 8 ] = 3 x 12 + 8 x 1 = 44 g. Le nombre N de moles contenues dans 10 g de propane est donc : 44 g 1 mol 10 g 10 x 1 N = = 0,227 mol 44 59
Le pouvoir calorifique ou pouvoir énergétique d un d alcane à n atomes de carbones vaut : Q = (662 n + 260) kj.mol -1 Le pouvoir calorifique ou pouvoir énergétique d une d mole de propane C 3 H 8 vaut : Q = (662 x 3 + 260) kj.mol -1 Le pouvoir calorifique ou pouvoir énergétique de N moles de propane vaut : Q 1 = (662 x 3 + 260) x 0,227 = 510 kj.mol -1 La quantité de chaleur gagnée e par l eau l est : Q 2 = m eau x c eau x (T( finale T initiale ) = 510 kj.mol -1, masse de l eau l : m eau = 3 kg, chaleur massique de l eau l : c eau = 4180 J.kg -1.K -1, température initiale de l eau l : T initiale = 15 C C = 288 K, La quantité de chaleur gagnée e par les 3 kg d eau d est donc : Q 2 = 3 x 4,180 x (T( finale 288) = 510 kj.mol - 1, d oùd T finale = 55,7 = 55,760 C.
FIN DU CHAPITRE 2 MERCI DE VOTRE ATTENTION 61