Quelle est la partie la plus chaude d’une flamme ?

La flamme est la première invention de l’homme et beaucoup s’en sont servis sans vraiment comprendre ce qu’il se passe réellement. Nous allons essayer de déterminer physiquement la partie la plus chaude de la flamme !

Une flamme est une réaction de combustion qui est à la base une oxydoréduction (autrement dit principalement un échange d’électrons) qui nécessite un combustible qui est le « support de la flamme », un comburant qui permet à la réaction d’exister et un activateur qui permet à la réaction d’avoir lieu (qui apporte la bonne quantité d’énergie au départ).

Mais comment se forme réellement la flamme ? Nous allons prendre le cas d’un briquet au butane ($C_4H_{10}$). Quand on allume un briquet, on observe deux parties, une bleue et un autre plutôt orange – blanche. Cela est dû si la combustion est complète ou incomplète. En effet en fonction de la combustion les éléments qui composent la flamme ne sont pas les mêmes et donc la couleur diffère par deux phénomènes distincts.

La partie bleu de la flamme

Dans un premier temps il s’agit de comprendre pourquoi la flamme est bleu dans une petite partie de cette dernière. C’est là où la combustion est complète : l’oxygène est présent en assez grande quantité pour que la réaction $2 C_4H_{10} + 13 O_2 \longrightarrow 8 CO_2 + 10 H_2O$ existe. Cette réaction est exothermique, c’est à dire qu’elle libère de l’énergie (ici sous forme de chaleur) d’où le fait qu’une flamme est chaude. Les composants restants sont donc $CO_2$ et $H_2O$, et d’une manière plutôt compliqué ils émettent des photons bleu. Mais quel est le mécanisme de base d’émission de photons ?

Dans un modèle simplifié les électrons de l’atome tournent autour du noyau, et ont des orbites de rayon définis de manière discrète. En effet les cercles bleus sont les orbites possible des électrons et les espaces entres les cercles bleus ne sont pas accessible par l’électron. Le rayon de l’orbite détermine l’énergie de l’électron, plus son rayon est grand plus son énergie sera grande. Donc pour passer d’une orbite à l’autre il faut apporter de l’énergie à l’électron cela peut se faire avec de la chaleur. Ensuite l’électron cherche principalement à rester sur son niveau d’énergie fondamental, si il est sur un état excité alors il va (si rien ne le maintient à son niveau excité) spontanément se d’exciter en émettant un photon qui à une énergie très précise. Or l’énergie d’un photon est directement proportionnel à sa longueur d’onde autrement dit à sa couleur. Et en effet la couleur du carbone est bleu. Autrement dit si on chauffe le carbone en lui apportant la bonne énergie il émet de la lumière bleue.

La partie orange de la flamme

Dans un deuxième temps, la flamme devient orange et blanche. Ce n’est pas du tout le même phénomène de radiation du photon. Il a donc l’oxygène de l’air qui est consommé par la combustion complète du butane, par conséquent il y a moins en moins d’oxygène dans l’air et de ce fait la combustion ne peu plus être complète, il manque de l’oxygène : $ C_4H_{10} + O_2 \longrightarrow CO_2 + H_2O + C + CO$ (voici une équation possible incomplète) où il faut moins d’oxygène pour créer les produits. Cette réaction libère des composés carbones (principalement du C) qui sont de la suie. Pourquoi la flamme n’est donc pas bleue dans cette région?

En physique un corps noir est un corps qui absorbe la toute la lumière qu’il reçoit. C’est un modèle, ici nous allons considérer que les macro-particules de carbones sont des corps noirs. Cependant si on chauffe un corps noir alors il va émettre de la lumière par un processus différent de la raie d’émission. La principale différence est que la raie est une valeur discrète (ici bleue) et que le corps noir est continu et donne une courbe comme sur l’image présente ci-dessus donc plusieurs couleurs dans la lumière émise. C’est pour ça que la lumière est orange voire blanche (composé de plusieurs couleurs).

Donc nous avons une combustion complète qui donne du bleu à la racine et une combustion incomplète qui donne une lumière incandescente plus haut car il manque de l’oxygène. La flamme à sa forme naturelle car les réactifs montent a cause de l’air chauffé par la combustion, si on obverse un flamme dans l’espace en absence d’air alors cette dernière reste une boule :

L’endroit le plus chaud de la flamme ?

Pour calculer cela il faut faire de la thermodynamique-chimique. La thermodynamique consiste a calculer l’état stable final en fonction de l’état de départ stable, donc ne se préoccupe pas des états intermédiaires. Par faire simple pour chaque élément on défini une enthalpie standard qui donne l’énergie créé pendant les réactions, que l’on note $\Delta_rH^0_{(T)}$ :

Pour calculer l’énergie fournie par les réactions il suffit de calculer la somme des enthalpies standard produites moins celles des réactifs. Si on opère ce calcul sur les deux réactions on obtient pour la combustion complète :

$\Delta_rH^0_{(\mathrm{combustionComplète})} = -5316.6$ kJ/mol

contre $\Delta_rH^0_{(\mathrm{combustionIncomplète})} = -621.12$ kJ/mol pour une incomplète.

Dans une réaction le signe donne le sens du transfert de chaleur, si le signe est négatif alors la réaction est exothermique. On observe bien que la combustion complète donne effectivement plus d’énergie que la combustion incomplète. C’est donc dans la combustion complète que se trouve la partie la plus chaude. Pourtant avec un bout de métal en peu rapidement se rendre compte que le métal chauffe à incandescence au milieu de la flamme (qui est orange et donc incomplète) et pas dans la partie bleu !?

En réalité la chaleur n’est pas simplement produite, elle se propage dans le flux d’air créée par la chaleur elle même, cela s’appelle la convection. C’est pourquoi la partie la plus chaude se trouve très souvent au milieu de la flamme qui correspond à la pointe de la combustion complète. Pour obtenir des flammes plus chauffantes (chalumeau de soudeurs) on rajoute de l’oxygène dans la flamme pour forcer la combustion complète et donc obtenir un flamme toute bleue et bien plus chaude.