La transformation chimique et le transfert d’énergie sous forme thermique

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Classe(s) : Tle STI2D - Tle STL | Thème(s) : Transformation chimique et transfert d'énergie sous forme thermique

La transformation chimique et le transfert d’énergie sous forme thermique

Les machines thermiques ont révolutionné l’industrie et le transport. Utilisant au départ le charbon, elles consomment maintenant beaucoup de produits dérivés du pétrole. De nouvelles voies, moins polluantes, s’ouvrent désormais : de l’agrochimie aux bio industries.

1Les différents carburants

Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Il réagit avec le dioxygène de l’air au cours d’une réaction chimique appelée combustion. Dans le cas des moteurs thermiques actuels, cette combustion se fait de manière explosive au sein des cylindres des moteurs.

Cette réaction chimique transforme de l’énergie chimique en énergie thermique, dont une partie est convertie en énergie mécanique.

A Issus du pétrole

Le pétrole est chauffé dans un four et les différents composants sont séparés par différences de points d’ébullition dans une tour de raffinage. On n’obtient pas de produits purs mais des coupes pétrolières comportant un grand nombre d’espèces chimiques (cf. schéma).

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Les molécules provenant du pétrole sont des hydrocarbures : elles ne comportent que des atomes de carbone et d’hydrogène.

Une partie des dérivés du pétrole est employée dans les transports routiers, fluviaux ou maritimes, et aériens.

Ces carburants constituent de l’énergie fossile : il a fallu des millions d’années pour créer le pétrole ou le gaz. Ils sont polluants lors de leur utilisation, car il y a émission de dioxyde de carbone, de nombreuses espèces chimiques toxiques et de particules fines. Les véhicules thermiques contribuent pour une grande part à la pollution des villes.

B Autres sources

De nouvelles filières se sont créées depuis une vingtaine d’années. Grâce à l’agrochimie, certains pays, disposant de grandes étendues cultivables ont développé le bioéthanol, obtenu par fermentation de saccharose (canne à sucre, betterave…) ou d’amidon (blé, maïs) pour être moins dépendants du pétrole. D’autres pays ont opté pour le biodiesel à partir d’huiles végétales. Le préfixe bio utilisé dans ces noms n’a rien à voir avec l’agriculture biologique, il signifie que ces carburants sont issus de la biomasse (transformation de végétaux). Ainsi, des surfaces agricoles sont cultivées dans le but de produire des carburants. La déforestation permet de trouver de nouvelles étendues cultivables. Seulement une partie des plantes sert pour la production de ces combustibles. Cette filière ne présente donc pas que des avantages.

Les biotechnologies apportent des progrès constants non seulement au niveau de la production d’aliments mais aussi au niveau de la décomposition de produits végétaux afin d’utiliser une plus grande proportion des plantes.

Des micro-algues permettent aussi l’élaboration de biocarburants sans nécessiter de déforestation ou l’emploi de terres cultivables. On en extrait des lipides pour la production de diesel ou de bioéthanol par fermentation des sucres contenus.

2La combustion

On considère la réaction de combustibles particuliers : les carburants, avec le dioxygène de l’air. On utilise des tableaux d’avancement afin de déterminer l’état final du système chimique.

Au cours de cette combustion d’un combustible fossile ou issu de la biomasse (bioéthanol, biodiésel), de l’énergie chimique est convertie en énergie thermique. On reviendra donc sur l’aspect énergétique des combustions vu en classe de 1re.

A Équilibrage d’une équation

Principe : Lors d’une réaction entre espèces chimiques, des liaisons sont créées, d’autres sont détruites. Ceci ne met en jeu que des électrons des couches externes et ne modifie pas le noyau des éléments qui interviennent. Il y a donc conservation du nombre et de la nature des éléments chimiques au cours d’une réaction : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme ».

C’est la base de l’équilibrage des équations de réaction.

Exercice résolu

Énoncé

On considère la réaction de combustion se réalisant entre l’heptane C7H16 et le dioxygène O2, qui produit du dioxyde de carbone CO2 et de l’eau H2O.

Écrire l’équation de la réaction.

Corrigé

D’une manière générale, on commence l’équilibrage des éléments que l’on ne trouve qu’une fois de chaque côté d’une équation. On s’occupe ensuite des autres éléments.

Il faut tout d’abord trouver les réactifs et les produits. Les réactifs se mettent à gauche de la réaction et les produits se placent à droite.

L’équation s’écrit alors :

C7H16 + O2  CO2 + H2O.

Cette équation n’assure pas la conservation des éléments carbone C, hydrogène H et oxygène O.

On commence donc par l’élément carbone : il y en a 7 à gauche, il en faut aussi 7 à droite ; on place un coefficient stœchiométrique 7, devant CO2 :

C7H16 + O2 7 CO2 + H2O.

Il faut alors assurer la conservation de l’élément hydrogène : il y en 16 à gauche, donc il en faut 16 à droite, ce qui est obtenu en plaçant un coefficient stœchiométrique 8 devant H2O :

C7H16 + O2 7 CO2 + 8 H2O.

Il reste alors à équilibrer l’élément oxygène : on en trouve 22 à droite, il en faut alors 22 à gauche, ce qui est obtenu en plaçant un coefficient stœchiométrique 11 devant O2 :

C7H16 + 11 O2 7 CO2 + 8 H2O.

L’équation de la réaction est alors équilibrée.

Exercice résolu

Énoncé

Il arrive que l’on trouve des coefficients stœchiométriques sous forme de fraction. Il faut alors multiplier l’ensemble de l’équation, afin que les coefficients stœchiométriques trouvés soient les entiers les plus petits possibles.

Équilibrer l’équation de combustion de l’éthanol C2H6O dans le dioxygène O2 qui produit du dioxyde de carbone CO2 et de l’eau H2O.

Corrigé

Les réactifs sont l’éthanol et le dioxygène ; les produits sont le dioxyde de carbone et l’eau.

L’équation s’écrit C2H6O + O2 CO2 + H2O.

On commence par équilibrer l’élément carbone : il y en a 2 à gauche, il en faut aussi 2 à droite, on place un coefficient stœchiométrique 2 devant CO2 :

C2H6O + O2 2 CO2 + H2O.

Il faut assurer la conservation de l’élément hydrogène : il y en 6 à gauche, donc il en faut 6 à droite, ce qui est obtenu en plaçant un coefficient stœchiométrique 3 devant H2O :

C2H6O + O2 2 CO2 + 3 H2O.

Pour l’élément oxygène, on en trouve 7 à droite, il en faut alors 7 à gauche : mais il y en a un dans la molécule d’éthanol, donc les 6 autres sont apportés par le dioxygène ce qui est obtenu en plaçant un coefficient stœchiométrique 3 devant O2 :

C2H6O + 3 O2 2 CO2 + 3 H2O.

L’équation est alors équilibrée.

B Rappels : détermination d’une quantité de matière

1. À partir d’une masse de produit pur

On considère un échantillon de masse m d’une espèce chimique de masse molaire M. La quantité de matière n de cette espèce chimique est donnée par la relation générale :

n =mM où : n quantité de matière de l’espèce X en mol

  m : masse de l’espèce chimique en g

M : masse molaire de l’espèce chimique en g.mol1

EXEMPLE

La quantité de matière de sodium, contenue dans une masse mNa = 15 g de ce métal, est : nNa = mNaM(Na) soit avec M(Na) = 23,0 g.mol1, nNa = 1523,0 = 0,65 mol.

Exercice résolu

Énoncé

La masse molaire moléculaire d’une espèce est calculée :

CxHy = x M(C) + y M(H)

On dispose d’une masse m = 50 g d’heptane C7H16.

1.

Déterminer la masse molaire moléculaire de l’heptane.

2.

Calculer alors la quantité de matière d’heptane dans cette masse.

Données : les masses molaires de l’hydrogène M(H) = 1,0 g.mol1 et du carbone M(C) = 12,0 g.mol1

Corrigé

1. La masse molaire moléculaire de l’heptane M(C7H16) est calculée à partir de celles des atomes qui le constitue : M(C7H16) = 7 M(C) + 16 M(H) = 100 g.mol1.

2. On en déduit alors la quantité de matière d’heptane : n = mM(CH167) = 50100 = 0,50 mol.

Cet échantillon contient donc 0,50 mol d’heptane.

2. À partir d’un volume de produit pur

La masse volumique d’un corps, notée ρ, est la masse d’une unité de volume de ce corps. Elle s’exprime en kg.m3 dans le système international, mais l’unité g.cm3 est souvent employée au laboratoire. Elle se calcule en effectuant le rapport de sa masse par son volume :

ρ = mV où :  ρ : masse volumique du corps en kg.m3 ou en g.cm3

 m : masse du corps en kg ou en g

 V : volume du corps en m3 ou en cm3 (ou mL)

La masse d’un volume V de liquide ayant une masse volumique ρ est donc déterminée en multipliant la masse volumique ρ par le volume m = ρ.V.

Il faut faire attention aux unités de ρ et V lors du calcul de la masse m.

La densité d’un liquide par rapport à l’eau est le rapport de la masse volumique de ce liquide par la masse volumique de l’eau dans les mêmes conditions de pression et de température.

d = ρliqρeauoù : d : densité du liquide (sans unité)

 ρliq : masse volumique du liquide en kg.m3 ou en g.cm3

 ρeau : masse volumique de l’eau en kg.m3 ou en g.cm3

Exercice résolu : Calculer la quantité de matière d’un liquide

Énoncé

Calculer la quantité de matière de bioéthanol contenue dans un volume V = 250 mL de bioéthanol C2H6O de masse volumique ρliq = 0,78 g.mL1. La masse molaire du bioéthanol vaut M(C2H6O) = 46,0 g.mol1.

Corrigé

Pour calculer la quantité de matière de bioéthanol, il faut d’abord déterminer la masse de bioéthanol à l’aide de la formule mC2H6O = ρliq.V.

Attention à bien utiliser les mêmes unités dans la formule : ici V = 250 mL et ρliq = 0,78 g.mL1, donc la masse obtenue m est en gramme. m = 0,78 × 250 = 195 g.

Il ne reste plus qu’à diviser la masse de bioéthanol par la masse molaire pour trouver la quantité de matière : nC2H6O = mC2H6OM(C2H6O) = 19546,0 = 4,24 mol.

C Le tableau d’avancement et le bilan de matière

L’avancement d’une réaction chimique est une valeur variable, notée x, exprimée en mol, qui permet de déterminer les quantités de matière des réactifs restants et des produits formés.

Le tableau d’avancement est un tableau associé à une réaction chimique dont il reprend l’équation. Il permet de faire le bilan de matière de la réaction. Il exprime les quantités de matière des espèces intervenant dans l’équation :

– à l’état initial, avant le début de réaction. En général, les quantités de matière des produits sont nulles ;

– au cours de la réaction en fonction de l’avancement x ;

– à l’état final, lorsqu’au moins un des réactifs est totalement consommé.

Remarques

Les tableaux d’avancement sont étudiés en classe de 1re.

Exercice résolu

Énoncé

On reprend la réaction de combustion se produisant entre l’heptane C7H16 et le dioxygène O2, qui produit du dioxyde de carbone CO2 et de l’eau H2O :

C7H16 + 11O2 7 CO2 + 8 H2O.

On mélange n(C7H16)0 = 2,0 mol d’heptane et n(O2)0 = 8,0 mol de dioxygène.

Dresser le tableau d’avancement et déterminer l’état final du système.

Corrigé

L’état initial est n(C7H16)i = 2,0 mol, n(O2)i = 8,0 mol, n(CO2)i = 0 mol et n(H2O)i = 0 mol.

On peut donc dresser le tableau d’avancement :

PB_9782216133727_T_STI2D-STL_02_Phys_Chimie_Tab_8

Pour trouver la valeur de xmax, il faut donc comparer les deux égalités :

– pour C7H16 : 2,0 xmax = 0 soit xmax = 2,0 mol

– pour O2 : 8,0 11 xmax = 0 soit xmax = 0,73 mol

La plus petite valeur obtenue est pour le dioxygène, qui est donc le réactif limitant et donc xmax = 0,73 mol.

L’état final est alors n(C7H16)f = 2,0 0,73 = 1,37 mol, n(O2)f = 8,0 11 × 0,73 = 0 mol, n(CO2)f = 7 × 0,73 = 5,1 mol et n(H2O)f = 8 × 0,73 = 5,8 mol.

D L’aspect énergétique

L’énergie libérée sous forme thermique lors de la réaction d’un combustible d’origine fossile ou d’un biocarburant dépend du nombre d’atomes de carbone et de la masse du combustible ayant réagi. Plus le nombre d’atomes de carbone est élevé et plus l’énergie libérée est importante. De même, plus la masse de combustible brûlée est grande, plus l’énergie libérée est forte. Cette énergie libérée est prélevée sur l’énergie chimique du système, qui diminue donc lors d’une combustion.

On a déterminé, pour chaque combustible pris à l’état gazeux, l’énergie transférée au milieu extérieur par la combustion de 1,0 kilogramme de combustible. Il s’agit de l’enthalpie de ­combustion ΔH ou pouvoir calorifique, qui s’exprime souvent en mégajoule par kilogramme (MJ.kg1).

L’unité de ΔE est bien en joule car on multiplie une masse en kilogramme par l’enthalpie de combustion en joule par kilogramme.

Pour trouver l’énergie ΔE libérée par une réaction de combustion, il suffit de multiplier la masse de combustible ayant réagi par la valeur de l’enthalpie de combustion.

ΔE = m.ΔH où :  ΔE : énergie libérée en joule (J)

 m : masse en kilogramme (kg)

 ΔH : l’enthalpie de combustion en joule par kilogramme (J.kg1) ou pouvoir calorifique

PB_9782216133727_T_STI2D-STL_02_Phys_Chimie_Tab_19

Par exemple, l’énergie libérée par la combustion d’un kilogramme d’heptane vaut 44,6 MJ = 4,46 × 107 J.

E L’aspect environnemental

Les voitures produisent de nombreux polluants lors de la combustion dans les moteurs. Les constructeurs ont développé sous la contrainte gouvernementale et grâce aux progrès technologiques, des moteurs, qui consomment moins et « plus propres ».

Une étiquette de classe environnementale est apposée sur les véhicules neufs comme pour les appareils ménagers ou les appartements.

Elle indique le type de voiture, le carburant utilisé, la consommation, les émissions de CO2 sur cycle mixte, la catégorie d’émissions.

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3Les dangers liés aux combustions

Les combustions apportent énormément d’énergie par transfert thermique. Elles sont utilisées quotidiennement ; il ne faut pas oublier pour autant les dangers qu’elles présentent.

A Vocabulaire

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Une combustion est une réaction chimique ; elle ne peut se produire que si 3 éléments sont réunis en quantités suffisantes : un combustible, un comburant, une énergie d’activation. Ces 3 éléments sont souvent représentés de manière symbolique par le triangle du feu. En effet, la combustion cesse dès qu’un élément du triangle est enlevé. Ce principe est utilisé pour assurer l’extinction des incendies.

Le combustible est une substance capable de brûler en présence d’un autre réactif (comburant) pour fournir de l’énergie thermique. Le combustible peut être :

– un solide (bois, papier, carton, matières plastiques…) ;

– un liquide ou solide liquéfiable (alcool, essence, fuel, huile…) ;

– un gaz (méthane, propane, butane, d’hydrogène…) ;

– un métal (sodium, aluminium, fer…).

Ces 4 types de substances correspondent respectivement aux 4 principales classes de feux A, B, C et D.

Le comburant constitue l’autre réactif de la réaction chimique de combustion. Il s’agit du dioxygène contenu dans l’air ambiant dans le cas des moteurs thermiques.

B Les risques

Les risques liés à l’inflammabilité (risque d’incendie) d’un produit ou d’un mélange sont de loin les dangers les plus graves liés aux produits chimiques. Les carburants sont hautement inflammables et sont la plupart du temps nuisibles à l’environnement.

Un incendie est une combustion accidentelle qui se déroule de manière désordonnée et incontrôlée. Le développement d’un incendie nécessite donc la présence d’un combustible, d’un comburant et l’apport d’une flamme, ou plus généralement d’énergie sous forme de ­chaleur.

Il s’ensuit une destruction de matériel, de véhicules. Des personnes peuvent subir des brûlures, souvent très graves ou être intoxiquées par les fumées abondantes créées par les incendies d’hydrocarbures.

Les causes d’incendie les plus fréquentes sont dans l’ordre :

– les phénomènes électriques (étincelles, électricité statique, effet joule…) ;

– l’utilisation de flammes nues ;

– l’imprudence des fumeurs ;

– la présence accidentelle de matières inflammables (gaz ou liquides) ;

– les appareils de chauffage et d’une façon générale les surfaces chaudes ;

– les causes naturelles, action du soleil (effets de loupe ou de serre) ;

– les étincelles mécaniques et les chocs.

Exercice résolu

Énoncé

1. Pourquoi est-il interdit de fumer à proximité des postes d’essence ?

2. Pourquoi faut-il relier la carcasse de l’avion à la terre après un vol ou avant de remplir les soutes à carburant ?

Corrigé

1. Les véhicules à moteur thermique emploient des carburants inflammables, surtout l’essence. Il ne faut pas fumer dans une station service ou à côté d’un bidon pour éviter tout risque d’incendie.

2. Lors du vol, un avion se charge électriquement : de nombreuses charges électriques se déposent sur la structure de l’avion. Il faut donc relier l’avion à la terre pour le décharger électriquement. Lors du remplissage des soutes à carburant des avions, la structure métallique de l’avion et du camion citerne sont reliés à la terre pour éviter tout risque d’étincelle provoquée par une décharge d’électricité statique.

C La prévention et la protection

Avant de détecter un feu et le combattre, il est préférable de l’éviter, donc d’empêcher la formation du triangle de feu. L’énergie d’activation est l’élément qui doit être tenu éloigné du combustible et du comburant.

Lorsque le feu se déclare, il faut agir vite. Il faut disposer :

– de moyens permettant de détecter l’incendie ;

– de moyens de donner l’alerte aux pompiers ;

– de matériels d’extinction appropriés.

La détection automatique d’incendie est une solution. L’emploi de détecteurs de gaz et de fumées est maintenant rendu obligatoire par les nouvelles lois. C’est un moyen de prévention.

Le détecteur de fumées est constitué d’un émetteur de lumière et d’un récepteur. La fumée pénétrant le faisceau de lumière affaiblit le rayonnement infrarouge. Si celui-ci descend au-dessous d’une valeur déterminée, le circuit du récepteur déclenche une alarme.

Les extincteurs sont des appareils qui permettent de projeter sur un foyer d’incendie, sous l’effet d’une pression intérieure, un agent extincteur :

– l’eau est l’agent extincteur le plus utilisé et le moins cher. Elle agit par étouffement lorsque l’atmosphère est inertée par de la vapeur d’eau et par refroidissement ;

– les poudres à base de bicarbonate de sodium se décomposent à chaud selon la réaction :

2NaCO3H  Na2CO3 + CO2 + H2O

Le dégagement abondant de gaz carbonique provoque l’étouffement du foyer (effet anti-oxygène) et élimine ainsi un élément du triangle du feu ;

– le dioxyde de carbone agit sur le feu par étouffement. L’air est remplacé par du gaz carbonique (toute combustion devient impossible à partir de 20 % de CO2).

Exercice résolu

Énoncé

Le kérosène est un mélange d’hydrocarbures ayant une température d’ébullition comprise entre 150 et 300 °C. On considère un kérosène ayant un pouvoir calorifique ou enthalpie de combustion ΔH = 43,2 MJ.kg1, dont la densité vaut d = 0,80.

Les soutes à carburant d’un Airbus A320Néo sont remplies de 20 m3 du kérosène précédent.

Après un voyage de 2 000 kilomètres, emportant 150 personnes, il reste 6,5 m3 dans les soutes à carburant.

1. Calculer le volume de kérosène consommé durant ce trajet.

2. Calculer la consommation de kérosène par passager et par cent kilomètres. Comparer avec la consommation d’une voiture

3. Déterminer la masse de kérosène consommé.

4. En déduire l’énergie chimique consommée par la combustion du kérosène dans les réacteurs au cours de ce vol.

5. Représenter une chaîne énergétique simple de cet avion.

Corrigé

1. On trouve le volume de kérosène consommé en faisant la différence entre le volume contenu initialement dans les soutes et celui encore présent à la fin. On trouve alors un volume V = 20 6,5 = 13,5 m3.

2. Pour déterminer cette consommation de kérosène par passager et par cent kilomètres, il faut diviser le volume V par le nombre de personnes et par la distance puis multiplier par 100. Le volume doit être exprimé en litre pour avoir plus de sens, il vaut V = 13,5 m3 = 1,35 × 104 L soit une consommation : 1,35×104×100150×2000=4,5 soit 4,5 litres par voyageur par 100 kilomètres.

Une voiture consomme environ 5 litres par 100 kilomètres en emportant en général 1 à 2 passagers. Un avion a donc environ une consommation proche d’une voiture.

3. La densité correspond à la masse en kilogramme d’un litre substance. La masse de kérosène consommé est calculée en multipliant le volume de kérosène exprimé en litre par la densité : m = d.V soit m = 0,80 × 1,35 × 104 = 1,08 × 104 kg soit 10,8 tonnes.

4. L’énergie chimique ΔE qui disparaît au cours de ce vol s’obtient en multipliant la masse de carburant par le pouvoir calorifique du kérosène :

ΔE = m.ΔH soit ΔE = 1,08 × 104 × 43,2 × 106 = 4,67 × 1011 J.

Une partie de cette énergie est transformée en énergie mécanique et une grande partie est transférée au milieu extérieur sous forme d’énergie thermique.

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