Le feu ou combustion est une réaction chimique exothermique d’oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une explosion.

La réaction chimique de combustion ne peut se produire que si l’on réunit trois éléments : un combustible, un comburant, une énergie d’activation en quantités suffisantes. On représente de façon symbolique cette association par le triangle du feu. De la même manière, la combustion cesse dès qu’un élément du triangle est enlevé.

CLASSES DE FEU

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triangle_feuLe combustible peut être :

  • un solide formant des braises (feu de classe A) (bois, papier, carton, tissu, PVC, …) ;
  • un liquide ou solide liquéfiable (feu de classe B) (essence, gazole, huile, kérosène, polyéthylène, polystyrène, …) ;
  • un gaz (feu de classe C) (butane, propane, méthane, dihydrogène, …) ;
  • un métal (feu de classe D) (fer, aluminium, sodium, magnésium, …) ;
  • un corps gras (feu de classe F) (huile de friture,…)

Le comburant est l’autre réactif de la réaction chimique. La plupart du temps, il s’agit de l’air ambiant, et plus particulièrement de l’un de ses composants principaux, le dioxygène.

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En privant un feu d’air, on l’éteint ; par exemple, si on place une bougie chauffe-plat allumée dans un bocal de confiture et qu’on ferme le bocal, la flamme s’éteint ; à l’inverse, si l’on souffle sur un feu de bois, cela l’active (on apporte plus d’air). Dans certains chalumeaux, on apporte du dioxygène pur pour améliorer la combustion.
Dans certains cas très particuliers (souvent explosifs comme avec l’aluminium), le comburant et le combustible sont un seul et même corps (par exemple la célèbre nitroglycérine, molécule instable comportant une partie oxydante greffée sur une partie réductrice.)

La réaction est déclenchée par une énergie d’activation. Il s’agit généralement de chaleur. Par exemple, ce sera l’échauffement du frottement dans le cas de l’allumette, le câble électrique qui chauffe, ou une autre flamme (propagation du feu), étincelle (de l’allume-gaz, de la pierre du briquet ou d’un appareil électrique qui se met en route ou s’arrête). Mais il y a d’autres façons de fournir l’énergie d’activation : électricité, radiation, pression… qui permettront toujours une augmentation de la température. La production de chaleur permet à la réaction de s’auto-entretenir dans la plupart des cas, voire de s’amplifier en une réaction en chaîne. La température à partir de laquelle un liquide émet suffisamment de vapeurs pour former avec l’air un mélange inflammable dont la combustion peut s’entretenir d’elle-même est appelée point d’inflammation.

Combustion du méthane dans le dioxygène

La combustion est une réaction chimique où des molécules complexes sont décomposées en molécules plus petites et plus stables via un réarrangement des liaisons entre les atomes. La chimie de la combustion est une composante majeure de la chimie à haute température qui implique principalement des réactions radicalaires. Toutefois il est possible de traiter la combustion via une réaction globale unique.
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Exemple :
Combustion du propane dans le dioxygène :
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Le dioxyde de carbone CO2 et l’eau H2O sont plus stables que le dioxygène et le propane.
La combustion est une réaction d’oxydoréduction, en l’occurrence l’oxydation d’un combustible par un comburant :
  • Le combustible est le corps qui est oxydé durant la combustion ; c’est un réducteur, il perd des électrons.
  • Le comburant est le corps qui est réduit ; c’est un oxydant, il gagne des électrons.

Comme pour toutes réactions chimiques, un catalyseur facilite la combustion et comme cette dernière possède souvent une énergie d’activation élevée, l’usage d’un catalyseur permet de travailler à une température moins élevée. Ceci permet une combustion complète comme dans le cas des pots catalytiques qui grâce à la présence de métaux catalytiques brûlent les résidus des gaz d’échappement à une température inférieure à celle régnant dans le moteur.

Dans le cas des combustibles solides, l’énergie d’activation va permettre de vaporiser ou de pyrolyser le combustible. Les gaz, ainsi produits, vont se mélanger au comburant et donner le mélange combustible. Si l’énergie produite par la combustion est supérieure ou égale à l’énergie d’activation nécessaire, la réaction de combustion s’auto-entretient.


ENERGIE DEGAGÉE ET POUVOIR CALORIFIQUE

La quantité d’énergie dégagée par la réaction est supérieure à la quantité d’énergie nécessaire à l’initier.
La quantité d’énergie produite par la combustion est exprimée en joules (J) ; il s’agit de l’enthalpie de réaction. Dans les domaines d’application (fours, brûleurs, moteurs à combustion interne, lutte contre incendie), on utilise souvent la notion de pouvoir calorifique, qui est l’enthalpie de réaction par unité de masse de combustible ou l’énergie obtenue par la combustion d’un kilogramme de combustible, exprimée en général en kilojoule par kilogramme (noté kJ/kg ou kJ·kg-1).
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combustionLes combustions d’hydrocarbures dégagent de l’eau sous forme de vapeur. Cette vapeur d’eau contient une grande quantité d’énergie. Ce paramètre est donc pris en compte de manière spécifique pour l’évaluation du pouvoir calorifique, et l’on définit :
  • le pouvoir calorifique supérieur (PCS) : « Quantité d’énergie dégagée par la combustion complète d’une unité de combustible, la vapeur d’eau étant supposée condensée et la chaleur récupérée ».
  • le pouvoir calorifique inférieur (PCI) : « Quantité de chaleur dégagée par la combustion complète d’une unité de combustible, la vapeur d’eau étant supposée non condensée et la chaleur non récupérée ».

La différence entre le PCI et le PCS est la chaleur latente de vaporisation de l’eau (Lv) multipliée par la quantité de vapeur produite (m), qui vaut à peu-près 2 250 kJ·kg-1 (cette dernière valeur dépend de la pression et de la température).

On a la relation PCS = PCI + m·Lv.

Pour éteindre une réaction de combustion, il faut supprimer un de trois éléments du triangle du feu :

  • Suppression du combustible : fermeture d’une vanne ou d’un robinet qui alimente la combustion, éloignement de combustibles à proximité du feu, exutoire pour chasser la fumée (qui contient des imbrûlés), …
  • Suppression du comburant (étouffement) : utilisation d’un extincteur à neige carbonique, d’une couverture, aspersion d’eau sur un combustible solide (la vapeur d’eau formée chasse l’air) …
  • Suppression de l’énergie d’activation (refroidissement) : pulvérisation d’eau dans le cas d’une atmosphère pré-mélangée (mélange de gaz ou de particules combustibles et de gaz comburant), grille absorbant la chaleur (lampe de mineur « Davy »), exutoire pour chasser la fumée (qui est chaude), …

RÔLE DE L’EAU DANS L’EXTINCTION

L’eau peut avoir deux rôles différents :

1.dans le cas d’un combustible solide, le facteur limitant est l’apport en comburant (air), le feu produisant sa propre chaleur ; l’eau étouffe donc le feu par dégagement de vapeur qui entraîne l’air et empêche l’alimentation en oxygène;

2.dans le cas d’une atmosphère pré-mélangée, on ne peut pas séparer le combustible du comburant, la seule action possible consiste à refroidir l’atmosphère pour empêcher la flamme de se propager (la vapeur d’eau joue également un rôle de diluant).

Il existe cependant des cas où le facteur déclenchant la combustion n’est pas l’énergie d’activation. Par exemple, l’explosion de fumées est une combustion très violente des gaz imbrûlés présents dans les fumées (voir combustion incomplète) provoquée par un apport soudain d’air, donc de comburant. L’intervalle dans lequel le mélange air/gaz pourra brûler est borné par les limites d’explosivité dans l’air. Cet intervalle peut mesurer de quelques pour cent (kérosène) à plusieurs dizaines de pour cent (acétylène).

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RÔLE DES ADDITIFS DANS L’EXTINCTION

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Le rôle de l’eau lors de l’extinction d’un feu peut être résumé comme suit :

  • refroidissement du foyer par absorption de l’énergie chaleur
  • éloignement du comburant (dioxygène)
  • dilution du mélange gazeux combustible
  • comburant par apport de vapeur d’eau

Les principales limites à l’usage d’eau sont de fait liées aux caractéristiques physico-chimiques de l’eau :

> L’eau ne peut être utilisée sur certains types de feux :
  • Feux d’hydrocarbures (classe B) car la seule conséquence sera un étalement du feu par transport de l’hydrocarbure. La différence de densité entre les deux produits est à la base de ce phénomène.
  • Feux de métaux (classe D) car ces types de feux produisent une énorme quantité d’énergie (jusque 7.550 calories/kg pour l’Aluminium) et l’eau peut également créer une réaction chimiques violente avec le métal en feu (par oxydation).
  • Feux gras (classe F) car la vapeur d’eau va transporter et répandre le combustible, augmentant de facto la taille du foyer.
> L’eau contient du Dioxygène (O²), et considérant que la molécule d’eau se craque à partir de +/- 1.500°C (principalement à cause de la trop grande énergie cinétique des atomes qui va rompre les liaisons), apportant ainsi de l’Hydrogène hautement inflammable (H) + Dioxygène (O²) sur le feu.

La science a bien compris ces phénomènes, il a donc été possible de développer des additifs permettant à l’eau :

  • Une meilleure absorption de la chaleur grâce à une densité supérieure.
  • D’apporter des éléments absorbants les radicaux libres à l’intérieur du feu.
  • D’apporter des agents moussants, permettant à l’eau de rester en surface des feux liquides, et donc de contenir les vapeurs inflammables.
  • D’apporter des réactifs spécifiques capables de réagir et de changer la nature du combustible en feu.

Les additifs pour eau sont généralement efficaces sur plusieurs catégories de feux (classe A + classe B ou même classe A + classe B + classe F), améliorant donc la performance globale et la polyvalence d’un extincteur.