Conversion de l’énergie stockée dans la matière organique
Voici, un article pour t’aider à tout comprendre sur la conversion d’énergie, élément fondamental en physique. L’un des principaux enjeux de notre époque est la production d’énergie de la manière la plus éco-responsable. La combustion étant un moyen très développé de production d’énergie il est intéressant de le comprendre et l’analyser.
Qu’est-ce que la combustion ?
Une combustion est une réaction chimique très présente dans l’industrie et que vous avez surement déjà vu, c’est la réaction chimique qui se passe lorsque quelque chose brule par exemple. Vous pouvez voir assez facilement qu’il se dégage de la chaleur et que l’état initial n’est pas le même que l’état final : il s’est produit une réaction exothermique ( qui dégage de la chaleur).
Pour qu’il y ait combustion, il faut un combustible, un comburant et une source d’énergie. Dans l’exemple d’un morceau de bois qui brule, le combustible est le bois, de manière générale le combustible est ce qui va bruler. Le comburant va être le dioxygéne présent dans l’ai qui va entretenir la combustion. Vous pouvez faire l’expérience de boucher une bougie par exemple, lorsqu’il n’y a plus d’air la flamme s’éteint. Ici la source d’énergie va être donné par une allumette par exemple et va permettre à la combustion de démarrer. Sans elle, la combustion ne se produit pas.
Les différents combustibles
On peut distinguer les combustibles en deux catégories : les renouvelables et non renouvelables. En effet, on adopte ici un point de vue écologique car les combustions ne sont pas réversibles, il faut donc favoriser un combustible renouvelable ( c’est à dire que l’on peut considérer inépuisable à l’échelle humaine) à un combustible non renouvelable ( qui va se renouveler moins vite que l’on le consomme)
Par exemple, le bois va être considérer comme renouvelable car il est assez facile d’en produire et faire pousser un arbre ne prend pas beaucoup de temps. On produit alors assez facilement du combustible en plantant des arbres et en les coupant pour faire du bois.
A contrario, le pétrole ou le charbon sont des énergies fossiles que l’on trouve en minant et en exploitant les sols. L’Homme ne sait pas fabriquer ces matériaux facilement et il n’en dispose pas en quantité infini, ce sont des combustibles non renouvelables.
Combustion de molécules organiques en présence de dioxygène
Les alcanes et les alcools sont des molécules organiques et sont de très bon combustible ( mais non-renouvelables)
Le dioxygène étant très abondant dans l’atmosphère, on va souvent utiliser celui-ci comme comburant.
Dans ce cas, on pourra utiliser les réactions d’oxydoréductions pour modéliser les combustions. En effet, les molécules organiques vont réagir avec le dioxygène pour produire du dioxyde de carbone CO2 et de l’eau H2O sous forme de vapeur. On va alors avoir une réaction d’oxydoréduction faisant intervenir les couples rédox suivant :
O2/H20
CO2/Combustile (alcane ou alcool)
Attention : il faut faire attention à bien équilibrer les équations d’oxydoréductions car les coefficients stoechiométriques vont changer selon les combustibles.
Exemple d’un alcane : L’ethane C₂H₆ :
7O2(g)+ 2C₂H₆(g) => 4 CO2(g) + 6H2O(g)
Il va en effet se former du dioxygène et de l’eau sous forme gazeuse (g)
Exemple d’un alcool : l’éthanol C2H6O :
3O2(g)+ C2H6O => 2 CO2(g) + 3H2O(g)
A quoi sert une combustion ?
Si l’on trouve des combustions dans les moteurs thermiques c’est parce qu’une combustion apporte de l’énergie qui va ensuite être transformé en énergie mécanique.
On va alors introduire une énergie molaire de combustion ou énergie molaire de réaction Em propre à chaque espèce chimique correspondant à l’énergie libérée par la combustion d’une mole de cette espèce chimique. Quand on dit que les alcanes et les alcools sont de bons combustible c’est parce que leurs énergie molaire de combustion est élevée et de ce fait ces espèces chimiques vont apporter beaucoup d’énergie. Son unité est le J/mol
Ainsi, si l’on veut calculer l’énergie totale libérée lors d’une combustion, il suffit de multiplier l’énergie molaire de combustion de l’espèce chimique ayant servi de combustible par la quantité de matière de cette espèce chimique que l’on a fait réagir.
On va aussi introduire le pouvoir calorifique massique (PC) , une grandeur peut-être plus intuitive que l’énergie molaire de combustion. Il s’agit de l’énergie libérée par unité de masse, c’est à dire l’énergie libéré par 1 kg de combustible, il s’exprime en J / kg.
Ainsi, si l’on sait que l’on a mis une certaine masse de tel combustible et que l’on connait son pouvoir calorifique, on sait aisément quelle énergie a été libérée.
Interprétation microscopique en phase gazeuse : modification des structures moléculaires, énergie de liaison
L’énergie de liaison est l’énergie mise en jeu dans une liaison covalente. C’est cette énergie qui va permettre la cohésion des molécules.
Si ces liaisons se forment, cette énergie est libérée et donc compté négativement selon les conventions
Si la liaison est brisée alors l’énergie est consommée et elle est compté positivement.
Ces liaisons sont de l’ordre du kJ / mol.
L’énergie n’étant pas la même selon les liaisons, la modification des structures moléculaires à l’échelle microscopique va avoir une conséquence sur le bilan d’énergie.
Ainsi, en introduisant une source d’énergie pour initier la combustion, on va casser des liaisons ce qui consomme de l’énergie mais lorsque les liaisons vont se reformer différemment alors une énergie encore plus importante va être libérée.
Combustions d’énergie et enjeux de société
Bien que source d’énergie et donc très important dans la société actuelle pour le fonctionnement notamment des moyens de transport et de l’industrie, dans le principe même de la combustion réside deux problèmes majeurs : le dioxyde de carbone et les combustibles non renouvelables.
En effet, nous avons vu que les alcanes et les alcools sont de très bons combustibles mais non renouvelables car présent majoritairement dans les sols. Il se pose alors un problème d’épuisement des ressources : ce n’est pas durable. Il faut alors favoriser les combustibles renouvelables même si cela coute plus cher pour produire de l’énergie à long terme.
De plus, la combustion de molécules organiques produit du dioxyde de carbone qui est un gaz à effet de serre. Il va ainsi participer au réchauffement climatique et à la montée des eaux en plus de causer des problèmes respiratoires. Encore une fois, ce n’est pas durable. C’est pour cela que les voitures sont limités et classées selon leurs émissions de CO2.
Pour éviter les problèmes respiratoires des voitures électriques ont été conçues, ainsi l’énergie est produite dans des centrales et il n’y a pas de C02 relâchée en zone habitée par l’homme. Cependant cela pollue encore la planète et n’est donc toujours pas durable.
Des projets de moteurs à hydrogène sont de plus en plus pris au sérieux car l’hydrogène, lors de sa combustion de produit pas de CO2. Cependant, les moyens de production les plus durables ont souvent des problèmes de coût et des contraintes que l’ingénieur doit prendre en compte. Par exemple, pour les moteurs à hydrogène la production d’hydrogène coute cher et pollue.
N’hésite pas à consulter nos autres fiches de physique sur Up2School comme celle sur la physique des ondes sonores.
