Arderea este o reacție exotermă de oxidare-reducere . Când arderea este plină de viață, rezultă o flacără sau o explozie ( deflagrație sau chiar detonare dacă fața flăcării depășește viteza sunetului). Arderea biomasei și a combustibililor este principala sursă de poluare a aerului , în special cu efecte cancerigene , reprotoxice și cardiovasculare .
Înainte de 1980, se considera că reacția chimică a arderii poate avea loc numai dacă sunt combinate trei elemente: un combustibil , un oxidant și o energie de activare în cantități suficiente. Acesta este motivul pentru care obișnuiam să vorbim despre „ triunghiul focului ”.
Din anii 1980 s-a descoperit că una dintre etapele esențiale ale reacției chimice este producerea de radicali liberi ; acest pas este necesar pentru ca arderea să fie menținută și să se poată vorbi de foc . Acesta este motivul pentru care vorbim de „ tetraedru de foc ”.
Dispariția unuia dintre cele patru elemente este suficientă pentru a opri arderea.
Combustibilul poate fi:
Aceste cinci tipuri de combustibil corespund, respectiv, celor cinci clase principale de incendii A, B, C, D și F.
Oxidantul este celălalt reactiv în reacția chimică. De cele mai multe ori, este aerul înconjurător și mai ales unul dintre componentele sale principale, oxigenul . Privând un foc de aer , acesta se stinge; de exemplu, dacă așezați o lumânare luminată într-un borcan cu gem și închidem borcanul, flacăra se stinge; dimpotrivă, dacă suflăm pe un foc de lemne, acesta îl activează (aducem mai mult aer). În unele făclii , se adaugă oxigen pur pentru a îmbunătăți arderea și a crește temperatura flăcării.
În unele cazuri foarte specifice (adesea explozive ca și în cazul aluminiului), oxidantul și combustibilul sunt unul și același corp; de exemplu, celebra nitroglicerină , o moleculă instabilă care cuprinde o parte oxidantă altoită pe o parte reducătoare.
Reacția este declanșată de o energie de activare , de obicei căldură sau o flacără. De exemplu, aceasta va fi încălzirea prin frecare pentru un chibrit, cablul electric supraîncărcat care încălzește izolația sau o altă flacără (foc care se răspândește), scânteia (de la bricheta cu gaz , de la cremaliera brichetei) sau cea cauzată de un electric mașină care pornește sau se oprește).
Există însă și alte modalități de furnizare a energiei de activare: arc electric, radiații, creșterea temperaturii prin comprimarea aerului, de exemplu într-un motor diesel .
Cu toate acestea, există cazuri în care factorul declanșator al arderii nu este energia de activare. De exemplu, explozia de fum este o combustie foarte violentă a gazelor nepuse prezente în fum (vezi arderea incompletă ) cauzată de o alimentare bruscă de aer și, prin urmare, de oxidant. Intervalul în care amestecul de aer / gaz poate arde este limitat de limitele de explozie . Acest interval poate varia de la câteva procente ( kerosen ) la câteva zeci de procente ( acetilenă ).
Producția de căldură prin combustie permite reacția să se autosustenă în cele mai multe cazuri sau chiar să se amplifice într-o reacție în lanț (de exemplu într-un incendiu forestier ).
Numai materialele sub formă gazoasă pot arde (deoarece oferă posibilitatea de a se amesteca foarte bine cu un oxidant, ceea ce nu este cazul lichidelor sau solidelor în care oxidantul principal, oxigenul, nu poate pătrunde în inima gazului. Substanță), care de aceea trebuie furnizată suficientă energie unui produs inflamabil (fie el solid sau lichid), astfel încât să înceapă să se vaporizeze sau să se descompună în elemente vaporizabile și combustibile (cum ar fi terpenele din conifere printr- o distilare sau piroliză ). Pragul de temperatură atins cu această ocazie se numește punctul de aprindere . Anumite produse au punctul lor de aprindere mult sub temperatura mediului ambiant, ceea ce le face substanțe foarte inflamabile, deoarece puțină energie de activare este suficientă pentru a iniția arderea (o scânteie simplă ...).
Un chibrit aruncat într-un rezervor de motorină la temperatura camerei nu va avea niciun efect, deoarece punctul său de aprindere fiind de 68 ° C , în medie, conform reglementărilor instalațiilor clasificate și transportului de materiale periculoase, flacăra va fi înecată în motorină înainte de aceasta a reușit să transmită suficientă căldură pentru a se vaporiza suficient. În schimb, un chibrit aruncat într-un recipient cu benzină , cu un punct de aprindere în jurul valorii de -40 ° C , va fi suficient pentru a aprinde vaporii deja prezenți sub formă de gaz pe suprafața lichidului. Cu această ocazie, vom observa că:
Când arderea produce suficientă energie pentru a se susține, temperatura a crescut peste punctul de aprindere .
O reacție chimică este o recombinare a moleculelor. Trece printr-o etapă intermediară în care moleculele sunt „destructurate”, dar nu sunt încă recombinate; aceștia se numesc radicali și sunt foarte reactivi. În cazul arderii, radicalii sunt creați prin descompunerea legăturilor chimice datorate energiei termice și vor putea acționa asupra moleculelor produsului (eliberând alți radicali) și, de fapt, generând o reacție în lanț care continuă. continua atâta timp cât sunt îndeplinite următoarele două condiții: prezența combustibilului și oxidantului.
Pentru a opri o reacție de ardere, unul dintre cele patru elemente ale tetraedrului de foc trebuie îndepărtat:
îndepărtarea combustibilului închiderea unei supape sau a unui robinet care alimentează arderea, îndepărtarea combustibililor în apropierea focului, o ieșire pentru expulzarea fumului (care conține material neprezentat etc.) ; îndepărtarea oxidantului (sufocare) utilizarea unui agent de stingere a dioxidului de carbon , a unei pături, stropirea cu apă la un combustibil solid (vaporii de apă formați conduc aerul) etc. ; suprimarea energiei de activare (răcire) pulverizarea apei în cazul unei atmosfere premixate (amestec de gaz sau particule combustibile și gaz oxidant), rețea absorbantă de căldură ( lampa minierului "Davy" ), ieșire pentru expulzarea fumului (care este fierbinte) etc. Apa poate avea două roluri diferite:Descoperirea arderii prin dioxigen este atribuită chimistului francez Lavoisier , în 1775 , deoarece se consideră în general Că Joseph Priestley , care a izolat pentru prima dată dioxigenul (impur) în 1774 , nu a descoperit totuși rolul oxidantului de oxigen. Într-adevăr, în măsura în care s-a bazat pe teoria flogistonului , acest lucru l-a împiedicat să concepă rolul dioxigenului în combustie.
Potrivit filosofului științei Thomas Samuel Kuhn , descoperirea arderii prin dioxigen constituie o revoluție științifică majoră în istoria științei. A constituit o schimbare de paradigmă , înlocuind vechea paradigmă a flogistonului.
Arderea de dioxigenați a fost XIX - lea secol , și mai mult la XX - lea secol , multe aplicații industriale ( a se vedea secțiunea Aplicații de mai jos). Cu toate acestea, în epoca industrială, aceasta a condus la emisia masivă de dioxid de carbon , care este un gaz cu efect de seră care contribuie în mare măsură la fenomenele schimbărilor climatice .
Arderea rapidă este o formă de ardere în care sunt eliberate cantități mari de căldură și energie sub formă de lumină, dând naștere la foc. Este utilizat în anumite mașini, cum ar fi motoarele cu ardere internă sau armele termobarice .
Arderea lentă este o reacție care are loc la temperaturi scăzute.
În timpul arderii complete, reactivul va reacționa cu oxidantul până se formează produse care nu mai pot fi oxidate, adică aceste produse nu mai pot reacționa cu oxidantul: produsele au atins un grad de stabilitate pe care o reacție de ardere nu o poate schimba. În cazul unei hidrocarburi care reacționează cu oxigenul, produsele de ardere sunt dioxidul de carbon și apa. Există un produs de ardere stabil pentru fiecare element, astfel încât arderea completă oferă aceleași produse de reacție, indiferent de reactanți.
Arderea completă asigură cantitatea maximă de energie disponibilă dintr-o substanță și această energie este definită ca puterea calorică .
Arderea turbulentă este arderea caracterizată prin fluxuri de căldură. Este adesea folosit în industrie (de exemplu, turbine cu gaz și motoare cu aprindere prin scânteie ) deoarece căldura facilitează operația de amestecare între combustibil și oxidant .
Arderea incompletă are loc atunci când cantitatea de oxidant este insuficientă pentru a permite reacția completă a combustibilului sau când timpul de contact, la o temperatură care face posibilă arderea, este prea mic. Produce reziduuri de ardere sub formă de cenușă care emit vapori : anumiți compuși, cum ar fi monoxid de carbon (gaz mortal), particule de carbon pure ( funingine , gudron , cenușă ), oxizi de azot (NO x), hidrocarburile ( de exemplu benzenul cancerigen) sunt foarte toxice pentru om și mediu sau foarte toxice, cum ar fi HAP sau compușii organici volatili (COV).
Reacția de ardere este de obicei incompletă. Numai controlul condițiilor face posibilă obținerea unei arderi complete, prin furnizarea unui exces de oxigen la temperaturi ridicate, de exemplu. În caz de combustie incompletă, este posibilă tratarea fumului pentru a reduce emisiile ne- arse , la fel ca și țevile de eșapament și filtrele de particule ale motoarelor auto. Prezența catalizatorilor asigură apoi o a doua combustie la o temperatură mai scăzută. Filtre de particule sunt, de asemenea, dezvoltate pentru echipamentele de ardere a lemnului , un combustibil solid fiind expus în mod special riscului de ardere incompletă.
Arderea este o reacție chimică în care moleculele complexe sunt descompuse în molecule mai mici și mai stabile printr- o rearanjare a legăturilor dintre atomi. Chimia combustiei este o componentă majoră a chimiei la temperaturi ridicate, care implică în primul rând reacții radicale . Cu toate acestea, este posibilă tratarea arderii printr- o singură reacție globală.
Exemplu: CH 4 + 2O 2→ CO 2+ 2H 2 O.Dioxid de carbon CO 2și apă H 2 O sunt mai stabile decât dioxigenul și metanul.
Arderea este o reacție redox , în acest caz oxidarea unui combustibil de către un oxidant :
Ca și în cazul tuturor reacțiilor chimice, un catalizator facilitează arderea și întrucât acesta din urmă are adesea o energie de activare ridicată, utilizarea unui catalizator face posibilă funcționarea la o temperatură mai scăzută. Acest lucru permite arderea completă ca în cazul convertoarelor catalitice care, datorită prezenței metalelor catalitice, ard reziduurile gazelor de eșapament la o temperatură mai mică decât cea predominantă în motor.
În cazul combustibililor solizi, energia de activare va face posibilă vaporizarea sau pirolizarea combustibilului. Gazele astfel produse se vor amesteca cu oxidantul și vor da amestecul combustibil. Dacă energia produsă de combustie este mai mare sau egală cu energia de activare necesară, reacția de ardere este autosusținută.
Cantitatea de energie produsă prin ardere este exprimată în jouli (J); aceasta este entalpia reacției . În domeniile de aplicare (cuptoare, arzătoare, motoare cu ardere internă, stingerea incendiilor), este adesea utilizat conceptul de putere calorică , care este entalpia de reacție pe unitate de masă de combustibil sau energia obținută prin arderea unui kilogram de combustibil , exprimat în general în kilojoule pe kilogram (notat kJ / kg sau kJ kg -1 ).
Arderile de hidrocarburi eliberează apă sub formă de vapori. Acest vapor de apă conține o cantitate mare de energie. Prin urmare, acest parametru este luat în considerare în mod specific pentru evaluarea puterii calorice; definim:
valoarea calorică superioară (PCS) "Cantitatea de energie eliberată prin arderea completă a unei unități de combustibil, vaporii de apă fiind presupuși a fi condensați și căldura recuperată" ; valoarea calorică inferioară (PCI) „Cantitatea de căldură degajată prin arderea completă a unei unități de combustibil, vaporii de apă fiind presupus să nu fie condensat , iar căldura recuperată nu“ .Diferența dintre PCI și PCS este căldura latentă de vaporizare a apei ( L v ), care este egală cu aproximativ 2250 k J kg −1 (valoare în funcție de presiune și temperatură), înmulțită cu masa de abur produsă ( m ).
Avem relația: PCS = PCI + m · L v .
În cazul unei flăcări premixate , arderea se caracterizează prin viteza frontului flăcării :
Oxidarea metalelor este în general lentă. Prin urmare, căldura eliberată este scăzută și este disipată încet în mediu; aceasta este zona de coroziune ( de exemplu , ruginirea de fier și oțel ).
Cu toate acestea, în unele cazuri oxidarea este violentă și, prin urmare, constituie combustie. Există cinci cazuri notabile:
De ardere este utilizat pe scară largă în combustie internă motoare , pentru propulsia vehiculelor ( automobile , camioane , elice de avioane , motociclete , barci , etc. ), precum și pentru instrumente mobile (mașini de tuns iarba, ferăstraiele cu lanț, etc. ) și pentru instalațiile fixe (generatoare , pompe etc. ).
În sectorul intern, arderea este utilizată în principal pentru:
Unele dispozitive folosesc și un motor cu ardere internă: mașină de tuns iarba, ferăstrău cu lanț etc.
Arderea poate fi înlocuită de instalații electrice: aragaz electric, încălzitor electric de apă, bec, motoare electrice etc.
Din punct de vedere istoric, focul intern este un simbol foarte puternic; termenul „ vatră ” desemnează atât locul focului, cât și locul familiei.
Combustiunea este utilizată în centralele termice care utilizează combustibili fosili ( cărbune , gaze naturale , petrol ), combustibili regenerabili (deșeuri agricole sau forestiere și biomasă dacă sunt exploatați în mod durabil) sau diferite tipuri de deșeuri (în incineratoarele de deșeuri menajere, de exemplu), pentru a elibera căldură, care produce electricitate folosind turbo-alternatoare .
În natură, metalele sunt în general prezente sub formă de minereuri . Anumite minereuri pot fi reduse , adică transformate în metal , prin reacția cu un gaz rezultat în urma arderii; acesta este domeniul pirometalurgiei . Cel mai cunoscut exemplu este reducerea minereului de fier de monoxid de carbon în furnale și apoi în furnale . Aceasta se referă și la producția de nichel, cupru, zinc, titan și zirconiu, chiar dacă există alte căi de producție.
Arderea poate fi utilizată și pentru încălzirea metalului pentru a-l deforma mai bine ( laminare , forjare ) sau pentru a-l topi ( turnătorie , sudare cu torță, lipire , tăiere cu flacără ). În afară de tăierea cu flacără, energia electrică poate fi utilizată ca alternativă la combustie.
Fabricarea cimentului necesită multă energie pentru a ridica amestecul care va produce clincherul la mai mult de 1.450 ° C , această energie este asigurată prin arderea unei mari varietăți de combustibili (gaz, păcură) și deșeuri (uleiuri utilizate, anvelope mărunțite, făină de animale , apă din stația de tratare a deșeurilor de canalizare )
Combustia este utilizat în domeniul astronauticii alimentarea cu energie pentru propulsie a navei spațiale . Termenii corespunzători în engleză sunt ardere și combustie .
În funcție de tipul de combustie utilizat într-un propulsor , vorbim despre: