Application du premier Principe aux combustions

1 Page 1 document propos sur le site Sciences Physiques en BTS : Application du premier Principe aux combustions A - Introduction : 1 ) Qu est-ce qu une combustion ? Exemple : La corrosion du fer , en atmosph re humide est une r action d oxydation : le dioxyg ne et l eau sont les oxydants, le fer est oxyd MAIS cette r action, bien qu exothermique, se produit si lentement qu on ne parle pas de combustion ! 2 ) Quelques exemples de combustibles : Le combustible qui peut tre solide, liquide ou gazeux, est, le plus souvent, compos de carbone et d hydrog ne. Les l ments oxyg ne, azote sont souvent pr sents galement. Les mati res min rales incombustibles se retrouvent dans les cendres. Exemples de combustibles : essence, m thane, propane, paraffine, alcool.

2 Le comburant usuel est, le plus souvent, le dioxyg ne contenu dans l air mais pas toujours ! Les bilans chimiques ci-dessous, sont des bilans de combustions : le comburant est mis entre crochets, dans chaque cas. )g(2)g(2)g(2)g(4OH2CO]O2[CH+ + )s(3)s()g(2 FeCl2Fe2]Cl[3 + )s()s()g(2)s(CMgO2]CO[Mg2+ + 3 ) Combustion compl te ou incompl te : La combustion d signe une r action chimique au cours de laquelle il y a oxydation compl te ou partielle d un corps (*). Les r actions d oxydation sont, en g n ral, exothermiques (elles d gagent de la chaleur) ; le terme combustion s applique aux cas o la r action est suffisamment rapide pour qu elle se mat rialise par une flamme, des tincelles, etc .. (*) Cette esp ce chimique, totalement ou partiellement oxyd e, est appel e combustible ou carburant ; l esp ce oxydante est le comburant.

3 On parle de combustion compl te quand l oxydation des l ments chimiques du combustible est men e son terme. L l ment chimique carbone est enti rement oxyd en dioxyde de carbone )OC(2. L l ment chimique hydrog ne est enti rement oxyd en eau )OH(2. etc .. Page 2 document propos sur le site Sciences Physiques en BTS : Exemple : Pour un hydrocarbure )HC(yx, la combustion compl te se traduit par bilan suivant : OH2yCOxO)4yx(HC222yx+ ++ Par contre, la combustion incompl te d un hydrocarbure, peut donner un m lange de monoxyde de carbone )OC( ( DANGER ! ), de dioxyde de carbone, d eau, de carbone, de dihydrog ne, .. Remarque : Combustion st chiom trique Dans ce cas id al, le combustible et le comburant sont m lang s et r agissent dans les proportions st chiom triques.

4 B - Application du premier Principe la thermochimie : 1 ) G n ralit s : Les r actions chimiques sont, le plus souvent, effectu es, soit volume constant, soit pression constante. combustions volume constant (isochores) : Dans une telle volution, il n y a pas de travail chang entre le syst me et l ext rieur, et l on a : combustions pression constante (isobares). Dans une telle volution, on a : Dans ces deux cas, la chaleur mise en jeu ne d pend que de l tat initial et de l tat final (U et H sont des fonctions d tat). Par la suite, nous nous limiterons aux r actions de combustions pression constante car, dans la plupart des cas, la diff rence entre vQ et pQ est n gligeable. 2 ) Enthalpie standard de formation : L nergie interne, comme l enthalpie n est d finie qu une constante additive pr s ; aussi choisit-on des conditions arbitraires de temp rature et de pression pour lesquelles on attribue par convention, une enthalpie nulle certains corps (le plus souvent il s agit de corps form s d une seule sorte d atomes).

5 On choisit, le plus souvent, pour cet tat de r f rence, les conditions standards (pression atmosph rique normale) et une temp rature de C25 . Dans ces conditions, l enthalpie standard de formation d un corps est d finie comme la diff rence entre l enthalpie standard du corps et l enthalpie standard des substances l mentaires partir desquelles il est form . Cette enthalpie peut tre d termin e par des mesures ou par des calculs faisant appel la thermodynamique statistique. Des tables donnent les enthalpies standards de formation de diverses substances. 12vUUUQ = =12pHHHQ = = f H 0 Conditions standards Page 3 document propos sur le site Sciences Physiques en BTS : Exemples : On note )X(H0f l enthalpie standard de formation de l esp ce chimique X.

6 A la temp rature K298T=, on a : Esp ces chimiques )g(2O )g(2OC )(3 HOOCHCl)(2 OHl )g(2N )graphite(C0fH (en ) 0 - 393,5 - 487,0 - 285,0 0 0 3 ) Chaleurs de r action dans les conditions standards : Soit la r action : 'A'a'A' +++ ++ Si les produits et les r actifs sont pris dans l tat standard, la chaleur de r action pQ est appel e enthalpie standard de la r action ; on la note 0rH . Loi de Hess Solution : quation-bilan de la r action : )(2)g(2)g(2)(3OH2OC2O2 HOOCHCll+ + Rq : Bien r fl chir l tat physique des corps (liquide, solide, gazeux) dans les conditions standards ! Application num rique : )487(2)5,393(2)285(2HQ = + = = Solution : quation-bilan de la r action : )(2)g(2)g(2)g(4OH2 OCO2 HCl+ + )A(Ha)'A(H'aHQi0fiii0fii0rp = = Exemple 1: A l aide des donn es ci-dessus, d terminer l enthalpie standard de la r action de combustion de l acide thano que en pr sence d un exc s de dioxyg ne.

7 V rifier que la r action est exothermique. )COOHCH(H)O(H2)OC(H2)OH(H2HQ)(30f)g(20f) g(20f)(20f0rpll + = =Exemple 2 : D terminer, l aide des donn es ci-dessous, la chaleur d gag e par la combustion compl te d une mole de m thane, dans les conditions standards et C25 . Remarque : En ramenant les produits de la combustion C25 , il y a condensation de l eau ! Esp ces chimiques )g(2O)g(2OC )(2 OHl)g(4HC 0fH (en ) 0 - 393,5 - 285,0 - 74,8 )CH(H)O(H2)OH(H2)OC(HH)g(40f)g(20f)(20f) (20f0r + = llPage 4 document propos sur le site Sciences Physiques en BTS : Application num rique : ,888)8,74()285(2)5,393(H = + = Remarque importante : Comment calculer une chaleur de r action une temp rature diff rente de 298 K (cette temp rature est celle laquelle les enthalpies de formation sont donn es, le plus souvent) ?

8 L enthalpie est une fonction d tat de sorte que sa variation ne d pend pas du cycle de transformations choisi entre l tat initial et l tat final. Dans la pratique, il faudra donc trouver une suite de transformations qui s adapte bien aux donn es du texte. On crit, alors : 20r1rH)T(HH)T(H + + = avec : += K298K273)g(2pK298K273)g(4p1dT)O(C2dT)CH( CH chauffement isobare que l on crit aussi : = K273K298)g(2pK273K298)g(4p1dT)O(C2dT)CH( CH += K273K298)g(2pK273K298)g(2p2dT)OH(C2dT)CO (CH refroidissement isobare Ce r sultat se g n ralise toute r action : Exemple 3 : Connaissant la chaleur de r action du m thane K298T0= et les capacit s calorifiques molaires des r actifs et des produits form s, exprimer la chaleur d gag e par la combustion compl te d une mole de m thane, dans les conditions standards (pression gale 1 bar) et K273T=.

9 1 mole de m thane + 2 moles de dioxyg ne 273 K rH(T)?1 mole de dioxyde de carbone + 2 moles de vapeur d eau 273 K 1 mole de dioxyde de carbone + 2 moles de vapeur d eau 298 K 1 mole de m thane + 2 moles de dioxyg ne 298 K rH (T 0)Refroidissement isobare Echauffement isobare H 1 H 2 + = TTpr actifsTTpform sproduits0rr00dTCdTC)T(H)T(H