Combustion

La combustion es una reaction exotermica d'oxidoreduccion. Quand la combustion es viva, se traduch per una flama dins lo cas d'una combustion o per una explosion (deflagracion, veire detonacion se lo front de flama passa la velocitat del son).

Tanben se nomena combustion nucleara la transformacion d'atòms provocada pel foncionament d’un reactor nuclear, pasmens se s'agís de reaccions nuclearas e non pas d'oxidoreduccion.
vinheta|La combustion de bastons d'encens, se tradusent per la produccion d'una flama.

 Triangle del fuòc 
La reaccion quimica de combustion se pòt produire sonque que se son reünits tres elements: un combustible, un comburent, una energia d'activacion en quantitats sufisentas.

Mas depuèi los ans 1980 se descobriguèt qu'una de las estapas indispensablas de la reaccion quimica la produccion de radicals liures; aquela etapa es necessària per que la combustion s'entretenga e que se pòsca parlar d'incendi. Alara se dich « tetraèdre del fuòc ».

La desapareisson de l'un dels quatre elements sufís a arestar la combustion.

 Combustible 
Lo combustible pòt èsser:
 un solid formant de brasas (carbon, fusta, papièr, carton, teissut, PVC, etc);
 un liquid o solid liquefiable (esséncia, gasòli, fiol, òli, querosèn, polietilèn, polistirèn, etc)
 un gas (gas natural, butan, propan, metan, diidrogèn, fums, gas de pirolisi, etc)
 un metal (fèrre, alumini, sòdi, magnèsi , etc);
 una òli de cosesson.

 Comburent 
Lo comburent es l’autre reactiu de la reaccion quimica. Mai sovent, s’agís de l’aire ambiant, e subretot un dels sieus composants màger, lo dioxigèn. Levant al fuòc l’aire, s'atuda; per exemple, quand se plaça una candèla alucada dins un bocal tampat, la flama s’atuda; a contrari, quand se bufa sus un lenhièr, s’activa (se li dona mai d’aire). Dins unes calamèls, se dona de dioxigèn pur per melhorar la combustion e auçar la temperatura de la flama.

Dins d'escasença plan particularas (sovent explosivas coma amb l'alumini), lo comburent e le combustible son un sol e meteis còrs; par exemple, la celèbra nitroglicerina, molecula instabla comportant una partida oxidanta ensertada sus una partida reductritz.

 Activator 
La reaccion es desemcadenada per una energia d’activacion, mai sovent la calor o una flama. Per exemple, serà l'escaufament per frejament per un luquet, lo cable electric subrealimentat que caufa l'isolant, o una autra flama (propagacion del fuòc), la beluga.

Tanben existís d’autres biais de provesir l’energia d’activacion: arc electric, radiacion, elevacion de la temperatura per compression de l'aire, per exemple dins un motor Diesel.

Mas existís d'escasença ont lo factor desencadenant la combustion es pas l'energia d'activacion. Per exemple, l'explosion de fums es une combustion fòrça violenta dels gas nonbrutlats presents dins las fums provocada per un apond subte d'aire, donc de comburant. L'interval ont la mescla aire/gas poiriá brutlar a per tèrmes las limitas d'explosivitat. Aquel interval pòt variar d'unes per cent (querosèn) fins a unas desena de per cent (acetilèn).

La produccion de calor par la combustion permet a la reaccion de s’autoentretenir mai sovent, veire de s'amplificar dins una reaccion en cadena (per exemple dins un encendi de bòcs).

Sols de materials jos forma gasoza pòt brutlar (que donan la possibilitat de se mesclar plan amb un comburent, çò qu'es pas lo cas dels liquids o dels solids ont lo comburent principal, lo dioxigèn, pòt pas i penetrar al còr de la substéncia), es parque cal fornir d'energia que cal a un produch inflammable (que siá solid o liquid) per que comence a se vaporizar o se descompausar en elements vaporisables e combustibles (coma los terpèns dels conifèrs via une distillacion o una pirolisi). Lo lendal de temperatura atenh a aquela escasença se nomena lo punt point de lhauç. Aqueles produchs an lor punt de lhauç largament al dejós de la temperatura ambianta, çò que ne fa de substéncias fòrça inflamablas, que sufís de pauc d'energia d'activacion per aviar la combustion (una simpla beluga…).

Un luquet lançat dins un bac de gosòli a temperatura ambianta aurá pas cap de consequéncia, que son punt de lhauç es de 68 , en mejana, la flama será negada dins lo gasòli abans d'aver podut transmetre pro de calor per ne vaporizar pro. Al contrari, un luquet lançat dins un bac d'esséncia, que lo punt de lhauç es de −40 , sufirá per enflamar las vapors ja presentas jos forma de gas a la superfícia del liquid. Per l'escqença, se remarcarà que:
 l'esséncia s’enflamarà abans que lo luquet atenga lo liquid (es donc l'esséncia vaporizada que brutla);
 la flama demorarà al dessús del liquid, brutlant l'esséncia jos forma gazosa (lo liquid brutla pas mas s'evapora fòrça rapidament jos l'efièch de la calor);
 un luquet saurrat s'enfonzarà e s'atudarà dins l'esséncia per manca de dioxigèn.
Quand la combustion produch pro d'energia per s'entretenir d'esperela, la temperatura passèt lo punt d'inflamacion.

 Radicals 
Una reaccion quimica es una novèla combinason de moleculas. Passa per una estapa intermediària pendent que las moleculas son « destructuradas » mas pas encara recombinadas; aquelas son nomenadas radicals e son fòrça reactivas. Dins lo cas de la combustion, los radicals son creats per ruptura de ligam quimic deguda a l'energia termica, e van poder agir sus las moleculas du produch (liberant d'autres radicals) e engendrant de fach una reaccion en cadena que contunharà fins a que las doas condicions seguentas serán reünidas: preséncia de combustible e de comburent.

 Procediments d'atudament d'una combustion 
Per interrompre una reaccion de combustion,cal suprimir un dels quatre elements del tetraèdre del fuòc:
 suppression del combustible 
 tencadura d'una tampa o d'un robinet que provesís la combustion, alunhament de combustibles a proximitat del fuòc, exutòri per caçar la fum (que conten dels imbrutlats), etc;
 suppression del comburent (estofament) 
 utilizacion d'un extinctor al dioxid de carbòni, d'una cobèrta, aspersion d'aiga sus un combustible solid (la vapor d'aiga formada caça l'aire), etc. ;
 suppression de l'energia d'activacion (refregiment) 
 pulverizacion d'aiga dins le cas d'una atmosfèra premesclada (mescla de gases o de particulas combustiblas e de gas comburant), grasilha absorbant la calor, exutòri per caçar lo fum (qu'es caud), etc.
 L'aiga pòt aver dos ròtles diferents:
 dins l'escasença d'un combustible solid, lo factor limitant es l'apont en comburant (aire), lo fuòc produsent la sieuna calor; l'auga estofa donc lo fuòc per enenacion de vapor que lèva l'aire e empacha l'alimentacion en dioxigèn;
 dins l'escasença d'una atmosfèra premescalda, se pòt pas destriar lo combustible del comburent, la sola accion possibla consistís a refregir l'atmosfèra per empachar la flama de se propagar (la vapor d'aiga jòga tanben un ròtle de diluent) ;
 inhibition des radicaux (deux moyens) 
 1. inhibicion quimica: ess lo cas d'una classa d'agents extinctors de fuòc, basada sus d'idrocarburs alogenats (ont fluor, bròma o clòr remplaçan l'idrogèn en partida o en totalitat dins la molecula d'idrocarbur). Unes fan partit de la familha dels alons (enebits d'emplec, qu'emanan dins lo jaç d'ozòn), d'autres de la familha dels idrofluorocarburs.
 Los radicals d'aqueles idrocarburs alogenats (creats pendent la combustion) son inactius per entretenir la combustion (los compausats quimics an una energia d'ionizacion inferiora a aquela del dioxigèn, se « descompausan » donc en primièr) mas actius per prene los autres radicals se transformant en elements estables per que ne demore pas mai interagir quimicament. 
 Aqueles agents se nomena alon 1301 (bromotrifluorometan), alon 2402 (1,2-dibromo-1,1,2,2-tetrafluoroetan), FM200 (1,1,1,2,3,3,3-eptafluoropropan), etc.
 Exemple de reaccion de « tendre » de radicals d'idrogèn amb l'alon 1301 (nomenat atal que possedís 1 atòm de carbòni, 3 atòms de fluor, 0 atòm de clòr e 1 atòm de bròm):
 La formula bruta d'aquel compausat es , aquò dona dos radicals pendent una combustion (CF3• e Br•) que van poder se combinar cadun amb un radical idrogèn (H•), formant un compausat demorant estable malgrat la combustion :
 CF3• + H• → 
 Br• + H• → BrH.
 Fòrça objèctes de la vida videnta intègran de compausats bromats o clorats amb efièch retardator de flamas: plastics (pels aparelhs electrics), isolants termics, textils, etc. ;
 2. inibicion mecanica: los extinctors de polvera prenon tanben los radicals (en mai de lors autras accions), mas per absorpcion (« estofament » dels radicals dins lo produch). E al delà de 190 , de polveras (coma lo bicarbonat de sòdi) se vitrifican en un vernís pauc soluble dins l'aiga e ignifugent.

 Istoric 
La descobèrta de la combustion pel dioxigèn la faguèt lo quimista Lavoisier, en 1775

Segon lo filosòf de las sciéncias Thomas Samuel Kuhn, la descobèrta de la combustion pel dioxigèn constituís una revolucion scientifica majora dins l'istòria de las sciénciasThomas Kuhn, La Structure des révolutions scientifiques, 1962. Faguèt un cambiar lo paradigma, remplaçant l'ancian paradigma del flogistic.

La combustion pel dioxigèn aguèt al sègle XIX, e encara mai al XX, fòrça aplicacions industrialas. Mas menèt pendent l'èra industriala a l'emanament massissa de dioxid de carbòni, qu'es un gas a effièch de sèrra, contribuissent fòrça als fenomèns de cambiament climaticA posteriori, cette conséquence indirecte et à long terme pose la question de la réalité du progrès scientifique et technique. .

 Caracteristicas 

 Combustion rapida 
La combustion rapida es una forma de combustion pendent que de grandas quantitats de calor e d'energia jos forma de lutz son largadas, fasent naisser al fuòc. Es utilizada din de maquinas coma los motors de combustion intèrna o las armas termobaricas.

 Combustion lenta 
La combustion lenta es una reaccion se realisant a de temperaturas pauc nautas. 
 Se pòt citar lo cas de la respiracion cellulara: aquela lentor deguda a d'enzims especifics permetent d'aumentar las reaccions d'oxidoreduccion e tanben d'obtenir un fòrça bon rendiment per recuperacion d'una granda partida de l'energia.

 Combustion complèta 
Pendent una combustion complèta, lo reactiu reagirà amb lo comburent fins a formar de produchs que poiran pas mai èsser oxidats, es a dire qu'aqueles produchs pòdon pas mai reagir amb lo comburent: los produchs an atench un gra d'estabilitat qu'una reaccion de combustion pòt pas modificar. Dins lo cas d'un idrocarbur reagissent amb lo dioxigèn, los produchs de combustion son lo dioxid de carbòni e l'aiga. Existís per cada element un produch de combustion estable, atal una combustion complèta dona los meteis produchs de reaccions quin que sián los reactius. 

Una combustion complèta permet d'obtenir la quantitat maximala d'energia disponibla per una substéncia e aquela energia es definida coma essent lo poder calorific.

 Combustion trebolenta 
La combustion trebolenta es una combuscion caracterizada per de fluses de calor. Es sovent utilizada dins l'industria (per exemple, las turbinas de gas e los motors Diesel) car la calor facilita l'operacion de mescla entre le combustible e l'oxidant.

 Combustion incomplèta 
La combustion incomplèta se debana quand la quantitat de comburent es insufisenta per permetre la reaccion complèta del combustible o quand lo temps de contacte, a una temperatura fasent la combustion possibla, es tròp fèble. Dona de rèstes de combustion, jos forma de cendres qu'emanan de fums: de compausats, coma lo monoxid de carbòni (gas mortal), particulas de carbòni pur (suèja, quitran, cendres), oxids d'azòt (), idrocarburs (del benzèn cancerigèn per exemple) son fòrça toxics per l'òme e pel mitan, o fortament toxics coma los idrocarburs aromatics policiclics o los compausats organics volatils (COV)Véronique Ferlay-Ferrand, Claude Picard et Claude Prim, CEREN - Approche toxicologique des fumées de feux de forêts.

La reaccion de combustion es abitualament incomplèta. Sol lo contraròtle de las condicions permet d'obtenir una combustion complèta, portant un excès de dioxigèn de nauta temperatura per exemple. En cas de combustion incomplèta, es possible de tractar los fums per reduire los imbrutlats tal coma o fan los pòts d'escapament e los filtres de particulas dels motors d'automobils. La preséncia de catalisors i realiza alara une segonda combustion de temperatura mai flaca. De filtres de particulas son tanben desvelopats pels equipaments de combustion de fusta, un combustible solid essent subretot expausat al risc de combustion incomplèta.

 Quimia de la combustion 
La combustion es una reaccion quimica ont de moleculas complèxas son descompausadas en moleculas mai pichonas e mai establas via un novèl arrenjament de ligams entre los atòms. La quimia de la combustion es una compausanta màger de la quimia de nauta temperatura qu'implica subretot de reaccions radicalaras. Pasmens es possible de tractar la combustion via una reaccion globala unica.

La combustion es una reaccion d'oxidoreduccion, en l’ensecasença l’oxidacion d’un combustible per un comburent:
 lo combustible es lo còrs qu'es oxidat pendent la combustion; es un reductor, pèrd d'electrons;
 lo comburent es lo còrs qu'es reduch; es un oxidant, ganha d'electrons.
Coma per totas reaccions quimicas, un catalisor facilita la combustion e coma aquela darrièra possedís sovent una energia d'activacion nauta, l'usatge d'un catalisor permet de trabalhar a una temperatura mens nauta. Aquò permet una combustion complèta coma dins lo cas dels pòts catalitics que mercé a la preséncia de metals catalitics brutlan los rèstes dels gases d'escapament a una temperatura inferiora a aquela regnant dins lo motor. 

Dins lo cas dels combustibles solids, l’energia d’activacion permetrà de vaporizar o de pirolizar lo combustible. Los gases, atal produchs, van se mesclar al comburent e donar la mescla combustibla. Se l'energia producha per la combustion es superiora o egala a l’energia d’activacion necessària, la reaccion de combustion s’autoentreten.

 Energia emanada e poder calorific 
La quantitat d’energia producha per la combustion es exprimida en joules (J); s'agís de l'entalpia de reaccion. Dins los domènis d'aplicacion (forns, brutlaires, motors a combustion intèrna, luta contre incendi), s'utiliza sovent la nocion de poder calorific, qu'es l'entalpia de reaccion per unitat de massa de combustible o l'energia obtenguda per la combustion d'un quilograma de combustible, exprimada en general en quilojoule per quilograma (notat kJ/kg o kJ·kg-1).

Las combustions d'idrocarburas emanan de l'aiga jos forma de vapor. Aquela vapor d'aiga conten una granda quantitat d'energia. Aquel paramètre es donc przs en compte de biais especific per l'evaluacion del poder calorific, e se definís:
 lo poder calorific superior (PCS) : « Quantitat d'energia emesa per la combustion complèta d'una unitat de combustible, la vapor d'aiga essent supausada condensada e la calor recuperada »Pouvoir calorifique supérieur (PCS) - Gaz de France ;
 lo poder calorific inferior (PCI) : « Quantitat de calor emesa per la combustion complèta d'una unitat de combustible, la vapor d'aiga essent supausada non condensada e la calor non recuperada »Pouvoir calorifique inférieur (PCI) - Gaz de France.
La diferéncia entre lo PCI e lo PCS es la calor latenta de vaporizacion de l’aiga (Lv), que val près de 2 250 kJ·kg-1 (aquela darrièra valor depend de la pression e de la temperatura), multiplicada per la massa de vapor producha (m).

Avèm la relacion : PCS = PCI + m·Lv.

 Velocitat del front de flama e explosion 
Dins lo cas d'una flama de premescla, la combustion es caracterizada per la velocitat del front de flama:
 La deflagracion: la velocitat del front de flama es inferiora a la velocitat del son (343,34 m·s-1 jos una pression de 1 atm a 20 °C dins l'aire sec) ;
 La detonacion: la velocitat del front de flama es superiora a la velocitat del son, e pòt aténher mantuns quilomètres per segonda.

 Fuòcs de metals 
L'oxidacion dels metals es en general lenta. La calor emesa es donc fèble e es lentament avalida dins l'environament; es lo domèni de la corrosion (per exemple lo rovilh del fèrre e de l'acièr).

Pasemens, dins d'unes cases, l'oxidacion es violenta e constituís donc una combustion. Existís cinc cas notables:
 combustion dins l'aire del magnèsi: lo magnèsi brutla aisidament, emetent una lutz très viva e blanca; èra utilizat pel liuçets fotografics;
 combustion del sòdi dins l'aiga: se pòt pas vertadièrament dire que lo sòdi que brutla; lo sòdi reagís de biais violent amb l'aiga e provòca una emanacion de diidrogèn, e amb la calor producha per la reaccion, lo diidrogèn s'enflama dins l'aire;
 aluminotermia: lo comburent es aquí un oxid metallic, s'agís d'una reaccion quimica entre dos solids;
 combustion de naute temperatura e fòrta concentracion de dioxigèn: quand lo metal es caufat fòrça fòrt e que s'envia de dioxigèn pur, la reaccion es pro rapida per s'autoentretenir; aquel fenomèn es utilizat per l'oxicopatge al calamèl, la lança termica, e es tanben l'accident del « còp de fuòc » que pòt arribar amb lo reductor de pression d'una botelha de dioxigèn (per exemple dioxigèn medical o botelha de calamèl) ;
 combustion d'un metal jos forma de polvera o de mossa. La reaccion quimica se fa al contacte entre lo metal e l'aire. Mas, dins lo cas d'una mossa o d'una polvera, aquela superfícia de contacte (la superfícia especifica) es plan granda, la reaccion es donc rapida e la calor emesa importanta; es un fenomèn comparable al còp de posca.

 Aplicacions 

 Dins los transpòrts 
La combustion es utilizada massissament dins los motors d'explosion, per la propulsion dels veiculs (automobilas, camions, avions d'eliç, motocicletas, batèls, etc.), e tanben per d'aisinas mobilas (tondeiras de pelenc, estroncaderas, etc.) e per des installacions fixas (grops electrogèns, pompas, etc.).

 A l'ostal 
Dins lo domèni domestic, la combustion servís subretot a:
 far còire los aliments: utilisant directament la flama (cosinèra de gas, cosesson al fuòc de fusta), utilisant lo caufatge per raionament (brasas, paret del forn);
 se caufar: caufatge del gas, fuòc de chimenèia, fornet de fusta;
 produire d'aiga cauda sanitària caufador d'aiga a gaa;
 s'esclairar: candèlas, fuòc de chiminèa.
Unes aparelhs utilizan tanben un motor de combustion intèrna: tondeira de pelenc, estroncaderas, etc.

La combustion pòt se remplaçar per d'installacions electricas: cosinèra electrica, calfador d'aiga electrica, motors electrics, etc.

Istoricament, lo fuòc domestic es un simbòl plan fòrt; lo tèrme « fogal » designa a l'encòp la plaça de fuòc, e lo luòc de vida de la familha.

 Dins la produccion d'electricitat 
La combustion es utilizada dins las centralas termicas utilisant de combustibles fossils (carbon, gas naturel, petròli), de combustibles renovelables (rebuts agricòlas o de l'expleitacion forestièra e biomassa) o diferents tipes de rebuts (dins los incinerators de desgalhs d'ostal per exemple), per emetre de calor, que produch d'electricitat mercé a de turboalternators.

 Dins la metallurgia 
Dins la natura, los metals son mai sovent presents jos la forma de minièra que se pòdon reduire, es a dire transformats en metal, per reaccion amb un gas eissit d'una la combustion; es lo domèni de la pirometallurgia. L'exemple mai conegut es la reduccion de la minièra de fèrre pel monoxid de carbòni dins los bas fornèls puèi los nauts fornèls. Aquò concernís tanben l'obtencion del niquèl, de coire, de zinc, de titan e de zircòni, quitament s'existí d'autres vias de relizacion.

La combustion pòt tanben servir a calfar de metal per lo desformar melhor o per lo far fondre. Fòra de l'oxicpatge, se pòt utilizar l'energia electrica coma alternativa a la combustion.

 Dins la produccion de ciment 
La fabricacion de ciment demanda fòrça energia per auçar la mescla que produirà lo clinker a mai de , aquela energia es donada per la combustion d'una granda varietat de combustibles (gas, fiol) e de rubuts (òlis d'usatge, pneumatics trissat, farinas animalas, rèstes d'epuration de de las aigas).

 En astronautica 
La combustion es utilizada dins lo domèni de l’astronautica per fornir l’energia de propulsion dels veïculs espacials. Los tèrmes correspondents en anglés son  e combustion.

Segon lo tipe de combustion utilizada dins un propulsor, se dich:
 combustion en cigareta (en anglés  e ) qu'est una combustion d'un blòt de polvera caracterizada per una superfícia plana de combustion progressant dins lo cap longitudinal, cap a l'abans o cap a l'arrièra;

 combustion erosiva () qu'es una combustion d'un blòc de polvera dins lo cas ont l'escorriment dels gases de combustion provòca una erosion del blòc;

 combustion transversala exteriora () qu'es una combustion d'un blòc de polvera caracterizada per una superfícia de combustion s'espandisssent longitudinalament e progressant de l'exterior cap a l'interior;

 combustion transversala interiora () qu'es una combustion d'un blòc de polvera que se realiza de l'interior cap a l'exterior a partir d'un canal central.

 Nòtas e referéncias 

 Bibliografia 

 Vejatz tanben 

 Articles connèxes 

 Ligams extèrnes 
 Schéma de la combustion dans le cycle du Carbone et de l'Oxygéne, sur gaz-co2.com
 La combustion et combustibles, sur le site energieplus-lesite.be de l'université catholique de Louvain
  , sur elearning.cerfacs.fr
 , fondation internationale de recherche sur les flammes, sur ifrf.net