13.15 Température de flamme
181
© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.
b) Comment pourrait-on évaluer quantitativement cette différence de température ?
Solution
■ * Quelle différence essentielle y a-t-il entre l’air et le dioxygène pur ? Quelles conséquences peut-il en résulter, soit sur la production de chaleur par la réaction de combustion, soit sur l’utilisation (le devenir) de cette chaleur ?
L’air ne contient que 21 % (en volume) de dioxygène ; celui-ci s’y trouve donc dilué
par le diazote, gaz inerte qui ne participe pas aux combustions. Les conséquences de
cette dilution sont à la fois de nature cinétique et de nature thermodynamique.
➤ Point de vue cinétique
Le remplacement de l’air par le dioxygène pur s’accompagne d’une augmentation de la
pression partielle (ou de la concentration) du dioxygène dans le mélange gazeux, et la
réaction de combustion est donc plus rapide ; elle produit plus de chaleur pendant un
temps donné.
➤ Point de vue thermodynamique
La chaleur produite par la réaction élève la température des produits de la combustion
(qui, à leur tour, céderont ensuite de la chaleur aux matériaux qu’on désire chauffer). La
chaleur acquise par les gaz et la variation de leur température sont liées par la relation
Q ϭ n.C p .⌬T (ou ⌬T ϭ Q / n.C p ) ; la même quantité de chaleur provoque un échauffement d’autant plus faible que la quantité de matière n est grande.
La présence du diazote, mélangé aux produits de la réaction, augmente n et provoque donc une
diminution de l’échauffement du mélange gazeux, de sorte que la flamme est moins chaude.
Pour calculer la température atteinte (température de flamme) dans les deux cas, il faut nécessairement faire comme si la combustion était adiabatique, c’est-à-dire comme si toute la chaleur
produite par la réaction était utilisée à élever la température des produits qui en résultent (et le
diazote, dans le cas de l’air). Cette hypothèse, appuyée sur l’idée que la réaction est très rapide,
est en fait très éloignée de la réalité, car une part importante de la chaleur produite est en fait
immédiatement dissipée dans l’environnement, mais elle permet de calculer ce qu’on appelle
une température maximale de flamme (T max ).
Essayez-vous à ce calcul, dans le cas d’un chalumeau à acétylène (données nécessaires dans
l’Annexe I).
L’équation stœchiométrique de la combustion est :
C 2 H 2 ϩ 5/2 O 2 ϭ 2 CO 2 (g) ϩ H 2 O (g)
L’enthalpie molaire de combustion de référence à 298 K peut être calculée à partir des enthalpies
molaires de formation de référence des produits et de l’acétylène ; elle vaut – 1 255 kJ.mol –1 . Si
cette chaleur est uniquement utilisée à échauffer les produits de réaction, supposés (fictivement)
obtenus d’abord à 298 K.
∆ r H m
o
n B
( )
B
∑
C p,m (produits)
298 K
r max
∫
=
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b) Comment pourrait-on évaluer quantitativement cette différence de température ?
Solution
■ * Quelle différence essentielle y a-t-il entre l’air et le dioxygène pur ? Quelles conséquences peut-il en résulter, soit sur la production de chaleur par la réaction de combustion, soit sur l’utilisation (le devenir) de cette chaleur ?
L’air ne contient que 21 % (en volume) de dioxygène ; celui-ci s’y trouve donc dilué
par le diazote, gaz inerte qui ne participe pas aux combustions. Les conséquences de
cette dilution sont à la fois de nature cinétique et de nature thermodynamique.
➤ Point de vue cinétique
Le remplacement de l’air par le dioxygène pur s’accompagne d’une augmentation de la
pression partielle (ou de la concentration) du dioxygène dans le mélange gazeux, et la
réaction de combustion est donc plus rapide ; elle produit plus de chaleur pendant un
temps donné.
➤ Point de vue thermodynamique
La chaleur produite par la réaction élève la température des produits de la combustion
(qui, à leur tour, céderont ensuite de la chaleur aux matériaux qu’on désire chauffer). La
chaleur acquise par les gaz et la variation de leur température sont liées par la relation
Q ϭ n.C p .⌬T (ou ⌬T ϭ Q / n.C p ) ; la même quantité de chaleur provoque un échauffement d’autant plus faible que la quantité de matière n est grande.
La présence du diazote, mélangé aux produits de la réaction, augmente n et provoque donc une
diminution de l’échauffement du mélange gazeux, de sorte que la flamme est moins chaude.
Pour calculer la température atteinte (température de flamme) dans les deux cas, il faut nécessairement faire comme si la combustion était adiabatique, c’est-à-dire comme si toute la chaleur
produite par la réaction était utilisée à élever la température des produits qui en résultent (et le
diazote, dans le cas de l’air). Cette hypothèse, appuyée sur l’idée que la réaction est très rapide,
est en fait très éloignée de la réalité, car une part importante de la chaleur produite est en fait
immédiatement dissipée dans l’environnement, mais elle permet de calculer ce qu’on appelle
une température maximale de flamme (T max ).
Essayez-vous à ce calcul, dans le cas d’un chalumeau à acétylène (données nécessaires dans
l’Annexe I).
L’équation stœchiométrique de la combustion est :
C 2 H 2 ϩ 5/2 O 2 ϭ 2 CO 2 (g) ϩ H 2 O (g)
L’enthalpie molaire de combustion de référence à 298 K peut être calculée à partir des enthalpies
molaires de formation de référence des produits et de l’acétylène ; elle vaut – 1 255 kJ.mol –1 . Si
cette chaleur est uniquement utilisée à échauffer les produits de réaction, supposés (fictivement)
obtenus d’abord à 298 K.
∆ r H m
o
n B
( )
B
∑
C p,m (produits)
298 K
r max
∫
=