Le Repaire des Sciences
Sciences Physiques et Chimiques

 

 

 

 

     Qu'est-ce qu'une flamme ? Comment ça marche ?



 

 

Le feu trahit l'existence d'une combustion, c'est-à-dire de réactions chimiques génératrices de chaleur et, parfois, de lumière visible. Sa manifestation spectaculaire, la flamme, est le lieu où se produisent ces réactions. Les flammes d'une allumette, d'une bougie, du bois dans la cheminée sollicitent l'oeil par leurs mouvements incessants. Bien peu de gens, en revanche, arrêtent leur regard sur les flammes jaillissant du brûleur d'une cuisinière à gaz. Cette simple observation indique une différence fondamentale entre deux types de flammes. Dans une cuisinière ou, par exemple, un bec Bunsen, les ingrédients de la réaction chimique (le gaz naturel et l'air) sont mélangés à l'intérieur d'un conduit avant de donner naissance à la flamme. En l'absence de perturbations dues à d'éventuels courants d'air, ce dosage contrôlé confère une parfaite régularité au comportement de la flamme. La surface lumineuse de couleur bleue, où se déroulent les réactions chimiques exothermiques, sépare ainsi l'espace en deux régions d'un côté arrive le mélange gazeux, de l'autre s'échappent les gaz brûlés.

Que se passe-t-il au sommet d'une bougie ? La flamme matérialise ici une frontière entre les deux réservoirs d'ingrédients nécessaires à la réaction : d'un côté la mèche humectée de combustible, de l'autre l'air environnant. Notons que le passage à l'état gazeux est nécessaire pour que les produits contenus dans la mèche puissent interagir avec l'air (un solide ou un liquide ne brûle pas, seules les vapeurs qui le surmontent sont susceptibles de s'enflammer).  L'acheminement des deux ingrédients gazeux vers la zone de réaction, puis l'évacuation des produits issus de cette réaction, s'effectue par un mécanisme dit de diffusion moléculaire. D'où l'appellation, dans la terminologie scientifique, de flammes de diffusion pour caractériser ces diverses flammes : bougie, feux de bois, etc. Le second type de flammes, essentiellement produites dans des dispositifs artificiels, est dénommé flammes de prémélange.

Pour allumer un feu, il faut apporter une dose minimale d'énergie. Tous les moyens sont bons : frottement, passage d'un cour électrique dans un fil, étincelle, etc. Dans chaque cas, cet apport d'énergie a pour conséquence d'élever localement la température des ingrédients entrant dans la réaction dite de combustion. Que se passe-t-il sur une allumette, par exemple ? L'une de ses extrémités est recouverte de phosphore qui, à température ambiante, ne réagit pas avec l'air. Lorsqu'on frotte l'allumette, la température s'élève sur une très petite surface de son extrémité.
Or, le taux de réaction du phosphore avec l'air augmente très rapidement en fonction de la température. De plus, la réaction est fortement exothermique (elle libère de la chaleur). Cette évolution rapide, jointe au fait que la réaction une fois amorcée pourra produire assez de chaleur pour l'entretenir, est à l'origine du caractère irréversible de la combustion : un campeur peut avoir autant de mal à allumer un feu en forêt que les pompiers en auront ensuite à l'éteindre...
Que se passe-t-il dans les chambres de combustion des moteurs à explosion ? Les réactions peuvent amorcées de deux manières. Dans un moteur à essence, une étincelle joue ce rôle. Dans un moteur Diesel, l'apport d'énergie est fourni par le piston qui comprime le mélange : les gaz ont alors portés à une température telle que la réaction de combustion se déclenche spontanément dans tout le cylindre.

 

Quel est le fonctionnement caché d'une bougie?

            Voici encore un objet tellement anodin, qu'on en oublie tous les comportements physiques qui conspirent à lui donner son aspect...

            Une petite leçon de choses à propos d'une bougie? Très simple: tout d'abord un combustible appelé paraffine (la cire). C'est un hydrocarbure à l'état solide dans les conditions habituelles. S'il est solide, c'est parce que les molécules qui le constituent sont de longues chaînes (imaginez les comme de longues chenilles d'une cinquantaine d'atomes de carbones accrochés entre eux, recouvertes d'un pelage d'atomes d'hydrogène) lourdes et emmêlées entre elles. Il est donc plus "difficile" de les faire passer à l'état liquide que des chaînes qui seraient plus courtes, comme le butane par exemple. Passer son doigt le long d'une bougie, c'est percevoir une sensation de "gras" typique des longues molécules hydrocarbonées.

             Tous les hydrocarbures sont de plus ou moins bons combustibles, c'est à dire que leurs chaînes carbonées sont facilement attaquées par le dioxygène de l'air, et décomposées en majeure partie en vapeur d'eau et dioxyde de carbone, tout en libérant de la chaleur. Une flamme n'est donc qu'une manifestation extérieure de cette libération d'énergie.

            Mais pour que cette réaction ait lieu, encore faut-il que le dioxygène de l'air puisse atteindre facilement le lieu de réaction, où il fait très chaud. Et un gaz chauffé se dilate, en risquant de repousser l'apport de dioxygène, ce qui étoufferait la réaction. D'où l'intérêt de la mèche:

Une vraie bougie
La bougie "idéalisée"
  La mèche surélève la zone où a lieu la réaction par rapport au réservoir de combustible: la cire fondue. Si cette cire est fondue, c'est bien sûr à cause de la réaction de combustion qui dégage de la chaleur. La cire liquide grimpe alors le long de la mèche par capillarité (comme le café qui monte le long d'un morceau de sucre). L'air peut alors facilement arriver par la partie basse de la flamme, là où démarre la réaction et il n'y aura pas d'étouffement comme cela serait le cas si l'on tentait de mettre le feu à une assiette de cire fondue.. Les particules de carbones (la suie) séparées des molécules de paraffine peuvent alors brûler en donnant cette couleur orangée. La température dans la partie haute peut atteindre de 1100 à 1400°C. Si le niveau de cire ne baissait pas, la mèche ne serait donc jamais brûlée, elle ne sert qu'à amener le combustible au lieu de réaction.

                Le fait qu'il y ait un haut et un bas est donc important pour une bougie: en effet, les gaz formés par la réaction (dioxyde de carbone et ...eau!) éteindraient la flamme s'ils n'étaient pas emportés vers le haut par la convection. Ainsi, on peut se demander à quoi ressemblerait une flamme de bougie en impesanteur...

Bougie en impesanteur
  En voici une photographiée à bord d'une navette spatiale (dans une cabine pressurisée bien sûr, il faut tout de même de l'air!). Elle fait environ 1,5cm de diamètre, et dure moins d'une minute avant de s'étouffer toute seule. La zone où à lieu la réaction est sur le pourtour de la flamme, et surtout en haut (alors qu'au sol, elle est à la base de la flamme). La réactivité est plus faible qu'au sol, et il ne semble pas que beaucoup de suie soit produite. C'était elle qui donnait la flamme orangée sur Terre, là elle reste bleue. Comme les gaz chauds s'échappent dans toutes les directions, le dioxygène ne parvient pas facilement là où on a besoin de lui, ce qui explique que la bougie s'étouffe assez vite...

 

                Finalement, les gâteaux d'anniversaires sont moins drôles dans les vaisseaux spatiaux que sur Terre, je suis déçu...