A Le pouvoir calorifique d'un combustible
Le pouvoir calorifique massique d'un combustible, noté PC, est l'énergie dégagée par la combustion complète d'un kilogramme de combustible. Il s'exprime en joule par kilogramme (J.kg–1).
On parle de pouvoir calorifique supérieur (PCS) si l'eau produite par la combustion est à l'état liquide. Dans le cas où l'eau formée est à l'état de vapeur, il s'agit du pouvoir calorifique inférieur (PCI).
B Enthalpie de réaction d'une combustion
L'enthalpie de réaction d'une combustion ΔHr mettant en jeu une masse m de combustible est calculée à partir du pouvoir calorifique massique du combustible mis en jeu : la valeur de Elib est positive car PC est toujours positif par convention.
REMARQUE
On peut aussi écrire la relation sans valeur absolue ΔHr = –m × PC.
Dans le cas d'un corps pur, l'enthalpie standard de combustion ΔHr0 (J.mol–1) et le pouvoir calorifique PC (J.kg–1) sont liés par la relation : |ΔHr0| = M × PC, où M est la masse molaire du combustible en kilogramme par mol (kg.mol–1). Il faut placer une valeur absolue autour de l'enthalpie standard de combustion car le pouvoir calorifique est positif.
C Détermination du pouvoir calorifique d'un combustible
Il faut peser un brûleur à alcool rempli d'alcool (m0 = 160 g) et l'utiliser pour faire chauffer un bécher contenant de l'eau, le total ayant une masse m = 300 g.
On relève aussi la température de l'eau avant chauffage : θi, puis on fait chauffer l'eau jusqu'à obtenir une augmentation de température de l'eau de 30 °C. θf = θi + 30.
On arrête le chauffage et on pèse alors le brûleur : m1 = 157 g. La masse malcool d'alcool qui a brûlé est donc malcool = m1 – m0 = 3,0 g.
La réaction subie par l'éthanol est une combustion, c'est une réaction exothermique.
L'équation de la réaction de l'éthanol avec le dioxygène de l'air est :
C2H6O + 3 O2 → 2 CO2 + 3 H2O.
L'énergie produite par cette réaction a pu chauffer l'eau et le bécher.
On appelle ΔHr l'enthalpie de combustion de l'alcool : c'est l'opposé de ΔHeau + bécher l'enthalpie reçue par l'eau et le bécher sous forme thermique. Elib = –Qeau + bécher.
Sachant que la capacité thermique massique de l'eau est ceau = 4,2 J.g–1.°C–1, la valeur de ΔHeau + bécher = m.ceau.(θf – θi) = 300 × 4,2 × 30 = 3,8 × 104 J.
Cette énergie provient de la combustion, l'enthalpie de combustion de l'alcool est donc ΔHr = –3,8 × 104 J.
En supposant que l'alcool est exclusivement constitué d'éthanol, on détermine la valeur de l'enthalpie massique de combustion par gramme d'éthanol lors de sa combustion en divisant la valeur précédente par la masse d'éthanol qui a brûlé : ΔHr/malcool = – 1,3 × 104 J.g–1.
Le pouvoir calorifique massique PC est la valeur absolue de l'enthalpie massique d'un kilogramme de combustible (le pouvoir calorifique est positif), soit 1 000 fois plus que la valeur précédente, soit PCéthanol = 1,3 × 107 J.kg–1 = 13 MJ.kg–1. On trouve environ la moitié de la valeur théorique. Ce résultat est bon malgré tout, car il y a beaucoup de pertes thermiques au cours de la manipulation.