Combustion du carbone et des hydrocarbures — Première Bac Pro ICCER (Grpt 1)
Durée : 10-15 min | Calculatrice autorisée
Barème : 20 points
Compléter les phrases suivantes :
a) Les trois éléments du triangle du feu sont : le ..., le ... et l'énergie d'...
b) Le comburant est le ... (formule chimique : ...).
a) Les trois éléments sont : le combustible, le comburant et l'énergie d'activation.
b) Le comburant est le dioxygène (formule : \(\mathbf{O_2}\)).
Indiquer pour chaque situation s'il s'agit d'une combustion complète ou incomplète :
a) La flamme d'une chaudière à gaz est bleue et bien réglée.
b) Des dépôts noirs de suie apparaissent sur les parois d'un conduit de cheminée.
a) Flamme bleue → combustion complète.
b) Dépôts de suie → combustion incomplète.
Dans l'équation de combustion du méthane ci-dessus :
a) Nommer les réactifs (à gauche de la flèche).
b) Nommer les produits (à droite de la flèche).
a) Réactifs : le méthane (\(\text{CH}_4\)) et le dioxygène (\(\text{O}_2\)).
b) Produits : le dioxyde de carbone (\(\text{CO}_2\)) et l'eau (\(\text{H}_2\text{O}\)).
a) Comment s'appelle le gaz dangereux produit lors d'une combustion incomplète ? Donner sa formule.
b) Citer deux causes possibles d'une combustion incomplète dans un logement.
a) Le monoxyde de carbone, de formule \(\mathbf{CO}\).
b) Causes possibles : un appareil de chauffage mal entretenu ou un conduit d'évacuation des fumées bouché (ou une ventilation insuffisante).
a) Quel gaz produit par la combustion contribue au réchauffement climatique ?
b) Citer un système de chauffage qui émet peu de CO₂.
a) Le dioxyde de carbone (\(\text{CO}_2\)).
b) La pompe à chaleur (environ 50 g de CO₂/kWh) ou la chaudière à bois (considérée comme neutre en CO₂).
Barème : 20 points
Compléter les phrases suivantes :
a) Pour qu'une combustion ait lieu, il faut réunir trois éléments appelés le triangle du ... : un ..., un comburant et une source d'...
b) Le combustible est la substance qui ..., par exemple le ... naturel.
a) Le triangle du feu : un combustible, un comburant et une source d'énergie (énergie d'activation).
b) Le combustible est la substance qui brûle, par exemple le gaz naturel.
Indiquer pour chaque situation s'il s'agit d'une combustion complète ou incomplète :
a) Un technicien chauffagiste observe une flamme jaune orangée dans le brûleur d'une chaudière.
b) L'analyseur de fumées d'une chaudière détecte uniquement du CO₂ et de la vapeur d'eau.
a) Flamme jaune orangée → combustion incomplète.
b) Seuls CO₂ et H₂O détectés (pas de CO, pas de suie) → combustion complète.
Dans l'équation de combustion du butane ci-dessus :
a) Nommer les réactifs (à gauche de la flèche).
b) Nommer les produits (à droite de la flèche).
a) Réactifs : le butane (\(\text{C}_4\text{H}_{10}\)) et le dioxygène (\(\text{O}_2\)).
b) Produits : le dioxyde de carbone (\(\text{CO}_2\)) et l'eau (\(\text{H}_2\text{O}\)).
a) Le monoxyde de carbone est dangereux car on ne peut pas le détecter avec nos sens. Expliquer pourquoi.
b) Citer deux gestes de prévention pour éviter une intoxication au CO dans un logement équipé d'une chaudière à gaz.
a) Le CO est incolore (on ne le voit pas) et inodore (on ne le sent pas), il est donc impossible à détecter sans appareil.
b) Gestes de prévention : faire entretenir la chaudière chaque année par un professionnel et ne jamais boucher les grilles de ventilation du logement (ou installer un détecteur de CO).
a) Quel est le principal problème environnemental lié aux émissions de CO₂ ?
b) Citer un combustible fossile utilisé dans les chaudières et un combustible considéré comme renouvelable.
a) Le CO₂ est un gaz à effet de serre qui contribue au réchauffement climatique.
b) Combustible fossile : le gaz naturel (ou le fioul). Combustible renouvelable : le bois (granulés, bûches).
Barème : 20 points
Un technicien chauffagiste intervient pour l'entretien annuel d'une chaudière à gaz. L'analyseur de fumées indique un taux de CO de 350 ppm. La norme autorise un maximum de 50 ppm.
a) La combustion est-elle complète ou incomplète ? Justifier.
b) Citer deux actions que le technicien doit entreprendre immédiatement.
a) La combustion est incomplète, car l'analyseur détecte du CO (350 ppm, largement au-dessus de la norme de 50 ppm).
b) Le technicien doit : arrêter la chaudière et ventiler le local (ouvrir les fenêtres). Il devra ensuite nettoyer le brûleur et vérifier le conduit de fumées.
Écrire l'équation de combustion complète du propane \(\text{C}_3\text{H}_8\) et vérifier qu'elle est équilibrée en comptant les atomes de chaque côté.
\(\text{C}_3\text{H}_8 + 5\,\text{O}_2 \longrightarrow 3\,\text{CO}_2 + 4\,\text{H}_2\text{O}\)
Vérification : C : 3 = 3. H : 8 = 8. O : 10 = 6 + 4 = 10.
Un installateur thermique met en service une chaudière au propane. L'analyseur de fumées indique uniquement du CO₂ et de la vapeur d'eau, avec une flamme bleue.
a) La combustion est-elle complète ou incomplète ? Justifier avec deux arguments.
b) Que se passerait-il si le conduit de fumées était partiellement bouché ?
a) Combustion complète. Arguments : la flamme est bleue et les seuls produits détectés sont \(\text{CO}_2\) et \(\text{H}_2\text{O}\) (pas de CO ni de suie).
b) Si le conduit était bouché, le dioxygène serait insuffisant, la combustion deviendrait incomplète avec production de CO (monoxyde de carbone), gaz mortel.
Une chaudière à gaz consomme 2 kg de méthane par heure. Le pouvoir calorifique du méthane est de 50 MJ/kg.
a) Calculer l'énergie thermique libérée en une heure.
b) Convertir cette énergie en kWh.
a) \(E = m \times \text{PC} = 2 \times 50 = \mathbf{100}\) MJ
b) \(E = \dfrac{100\,000}{3\,600} \approx \mathbf{27{,}8}\) kWh
Le facteur d'émission du méthane est de 2,75 kg de CO₂ par kg de méthane brûlé. Une chaudière consomme 1 500 kg de méthane par an.
a) Calculer la masse de CO₂ émise par cette chaudière en un an.
b) Exprimer le résultat en tonnes.
a) \(m_{\text{CO}_2} = 1\,500 \times 2{,}75 = \mathbf{4\,125}\) kg
b) \(4\,125 \text{ kg} \approx \mathbf{4{,}1}\) tonnes de CO₂.
Barème : 20 points
Un installateur thermique effectue la maintenance d'une chaudière au fioul domestique. L'analyseur de fumées affiche un taux de CO de 500 ppm. Le seuil réglementaire est de 50 ppm.
a) La combustion est-elle complète ou incomplète ? Justifier.
b) Citer deux risques immédiats pour les occupants du logement.
a) La combustion est incomplète, car l'analyseur détecte du CO à 500 ppm, soit 10 fois la norme autorisée de 50 ppm.
b) Risques : intoxication au monoxyde de carbone (gaz mortel) et risque d'asphyxie (le CO se fixe sur l'hémoglobine et empêche le transport de l'oxygène).
Écrire l'équation de combustion complète du butane \(\text{C}_4\text{H}_{10}\) et vérifier qu'elle est équilibrée en comptant les atomes de chaque côté.
\(2\,\text{C}_4\text{H}_{10} + 13\,\text{O}_2 \longrightarrow 8\,\text{CO}_2 + 10\,\text{H}_2\text{O}\)
Vérification : C : 8 = 8. H : 20 = 20. O : 26 = 16 + 10 = 26.
Un technicien de maintenance énergétique vérifie une chaudière au fioul. L'analyseur indique la présence de CO et des traces de suie. La flamme est jaune et instable.
a) La combustion est-elle complète ou incomplète ? Justifier avec deux arguments.
b) Quelle opération de maintenance le technicien doit-il réaliser pour corriger le problème ?
a) Combustion incomplète. Arguments : la flamme est jaune (au lieu de bleue) et l'analyseur détecte du CO et de la suie.
b) Le technicien doit régler l'arrivée d'air du brûleur pour augmenter l'apport en dioxygène et nettoyer le brûleur encrassé par la suie.
Une chaudière au propane consomme 3 kg de propane par heure. Le pouvoir calorifique du propane est de 46 MJ/kg.
a) Calculer l'énergie thermique libérée en une heure.
b) Convertir cette énergie en kWh.
a) \(E = m \times \text{PC} = 3 \times 46 = \mathbf{138}\) MJ
b) \(E = \dfrac{138\,000}{3\,600} \approx \mathbf{38{,}3}\) kWh
Le facteur d'émission du propane est de 3,0 kg de CO₂ par kg de propane brûlé. Un logement consomme 1 200 kg de propane par an.
a) Calculer la masse de CO₂ émise par ce logement en un an.
b) Exprimer le résultat en tonnes.
a) \(m_{\text{CO}_2} = 1\,200 \times 3{,}0 = \mathbf{3\,600}\) kg
b) \(3\,600 \text{ kg} = \mathbf{3{,}6}\) tonnes de CO₂.
Barème : 20 points
Équilibrer la combustion complète de l'éthane \(\text{C}_2\text{H}_6\). Détailler chaque étape (C, H puis O) et vérifier le résultat.
Étape 1 : \(\text{C}_2\text{H}_6 + \text{O}_2 \longrightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}\)
Étape 2 (C) : 2 carbones → coefficient 2 devant CO₂.
Étape 3 (H) : 6 hydrogènes → coefficient 3 devant H₂O.
\(\text{C}_2\text{H}_6 + \text{O}_2 \longrightarrow 2\,\text{CO}_2 + 3\,\text{H}_2\text{O}\)
Étape 4 (O) : à droite : \(2 \times 2 + 3 = 7\) atomes d'O → \(\frac{7}{2}\) O₂.
Étape 5 : On multiplie tout par 2 :
\(\mathbf{2\,\text{C}_2\text{H}_6 + 7\,\text{O}_2 \longrightarrow 4\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O}}\)
Vérification : C : 4 = 4. H : 12 = 12. O : 14 = 8 + 6 = 14.
Un technicien de maintenance énergétique calcule les émissions de CO₂ d'une chaudière à gaz. L'équation est : \(\text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \longrightarrow \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}\).
Les masses molaires sont : \(M(\text{C}) = 12\), \(M(\text{H}) = 1\), \(M(\text{O}) = 16\) g/mol.
a) Calculer les masses molaires de CH₄ et CO₂.
b) Montrer que la combustion de 16 g de méthane produit 44 g de CO₂.
c) En déduire le facteur d'émission en kg CO₂/kg CH₄.
a) \(M(\text{CH}_4) = 12 + 4 \times 1 = \mathbf{16}\) g/mol. \(M(\text{CO}_2) = 12 + 2 \times 16 = \mathbf{44}\) g/mol.
b) D'après l'équation, 1 mol de CH₄ donne 1 mol de CO₂, soit 16 g → 44 g.
c) \(\dfrac{44}{16} = \mathbf{2{,}75}\) kg CO₂/kg CH₄.
Un groupe électrogène à essence a un rendement de 30 %. Il consomme 3 litres d'essence par heure (densité 0,75 kg/L, pouvoir calorifique 44 MJ/kg).
a) Calculer la masse d'essence consommée par heure.
b) Calculer l'énergie chimique libérée par heure.
c) Calculer la puissance mécanique utile en kW.
a) \(m = 3 \times 0{,}75 = \mathbf{2{,}25}\) kg
b) \(E = 2{,}25 \times 44 = \mathbf{99}\) MJ
c) \(E_u = 99 \times 0{,}30 = 29{,}7\) MJ \(= 29\,700\) kJ. \(P = \dfrac{29\,700}{3\,600} \approx \mathbf{8{,}25}\) kW.
Un installateur thermique compare les émissions de CO₂ de deux systèmes pour chauffer un logement consommant 15 000 kWh de chaleur par an :
a) Calculer les émissions annuelles de CO₂ pour chaque système (en kg).
b) Calculer la réduction d'émissions en passant de la chaudière gaz à la PAC.
a) Chaudière gaz : \(15\,000 \times 230 = 3\,450\,000\) g \(= \mathbf{3\,450}\) kg. PAC : \(15\,000 \times 50 = 750\,000\) g \(= \mathbf{750}\) kg.
b) Réduction : \(3\,450 - 750 = \mathbf{2\,700}\) kg de CO₂ par an, soit une réduction de \(\dfrac{2\,700}{3\,450} \times 100 \approx 78\;\%\).
Expliquer pourquoi la transition énergétique encourage le remplacement des chaudières fioul et gaz par des pompes à chaleur. Donner au moins deux arguments.
Arguments :
1. Réduction des émissions de CO₂ : une PAC émet beaucoup moins de CO₂ qu'une chaudière à combustible fossile (environ 50 g/kWh contre 230-300 g/kWh).
2. Meilleure efficacité énergétique : une PAC avec un COP de 3,5 consomme environ 3,5 fois moins d'énergie qu'un chauffage direct pour la même quantité de chaleur produite.
3. Suppression du risque CO : pas de combustion, donc aucun risque d'intoxication au monoxyde de carbone.
Barème : 20 points
Équilibrer la combustion complète du propane \(\text{C}_3\text{H}_8\). Détailler chaque étape (C, H puis O) et vérifier le résultat.
Étape 1 : \(\text{C}_3\text{H}_8 + \text{O}_2 \longrightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}\)
Étape 2 (C) : 3 carbones → coefficient 3 devant CO₂.
Étape 3 (H) : 8 hydrogènes → coefficient 4 devant H₂O.
\(\text{C}_3\text{H}_8 + \text{O}_2 \longrightarrow 3\,\text{CO}_2 + 4\,\text{H}_2\text{O}\)
Étape 4 (O) : à droite : \(3 \times 2 + 4 = 10\) atomes d'O → \(\frac{10}{2} = 5\) O₂.
\(\mathbf{\text{C}_3\text{H}_8 + 5\,\text{O}_2 \longrightarrow 3\,\text{CO}_2 + 4\,\text{H}_2\text{O}}\)
Vérification : C : 3 = 3. H : 8 = 8. O : 10 = 6 + 4 = 10.
Un technicien chauffagiste vérifie les émissions d'une chaudière au propane. L'équation est : \(\text{C}_3\text{H}_8 + 5\,\text{O}_2 \longrightarrow 3\,\text{CO}_2 + 4\,\text{H}_2\text{O}\).
Les masses molaires sont : \(M(\text{C}) = 12\), \(M(\text{H}) = 1\), \(M(\text{O}) = 16\) g/mol.
a) Calculer les masses molaires de C₃H₈ et CO₂.
b) Montrer que la combustion de 44 g de propane produit 132 g de CO₂.
c) En déduire le facteur d'émission en kg CO₂/kg C₃H₈.
a) \(M(\text{C}_3\text{H}_8) = 3 \times 12 + 8 \times 1 = \mathbf{44}\) g/mol. \(M(\text{CO}_2) = 12 + 2 \times 16 = \mathbf{44}\) g/mol.
b) D'après l'équation, 1 mol de C₃H₈ donne 3 mol de CO₂, soit 44 g → \(3 \times 44 = 132\) g.
c) \(\dfrac{132}{44} = \mathbf{3{,}0}\) kg CO₂/kg C₃H₈.
Une chaudière au fioul domestique a un rendement de 85 %. Elle consomme 2 litres de fioul par heure (densité 0,85 kg/L, pouvoir calorifique 42 MJ/kg).
a) Calculer la masse de fioul consommée par heure.
b) Calculer l'énergie chimique libérée par heure.
c) Calculer la puissance thermique utile en kW.
a) \(m = 2 \times 0{,}85 = \mathbf{1{,}70}\) kg
b) \(E = 1{,}70 \times 42 = \mathbf{71{,}4}\) MJ
c) \(E_u = 71{,}4 \times 0{,}85 = 60{,}69\) MJ \(= 60\,690\) kJ. \(P = \dfrac{60\,690}{3\,600} \approx \mathbf{16{,}9}\) kW.
Un installateur thermique compare les émissions de CO₂ de deux systèmes pour chauffer un bâtiment consommant 20 000 kWh de chaleur par an :
a) Calculer les émissions annuelles de CO₂ pour chaque système (en kg).
b) Calculer la réduction d'émissions en passant de la chaudière fioul à la chaudière à granulés.
a) Chaudière fioul : \(20\,000 \times 300 = 6\,000\,000\) g \(= \mathbf{6\,000}\) kg. Granulés : \(20\,000 \times 30 = 600\,000\) g \(= \mathbf{600}\) kg.
b) Réduction : \(6\,000 - 600 = \mathbf{5\,400}\) kg de CO₂ par an, soit une réduction de \(\dfrac{5\,400}{6\,000} \times 100 = 90\;\%\).
Expliquer pourquoi les chaudières à condensation sont plus performantes que les chaudières classiques. Donner au moins deux arguments liés à la combustion et à l'environnement.
Arguments :
1. Meilleur rendement : une chaudière à condensation récupère la chaleur contenue dans la vapeur d'eau des fumées (produit de combustion), ce qui porte le rendement au-dessus de 100 % sur PCI (environ 105-110 %).
2. Moins de combustible consommé : à chaleur produite égale, la chaudière à condensation brûle moins de gaz, donc émet moins de CO₂.
3. Combustion mieux contrôlée : les chaudières à condensation modernes optimisent le mélange air/gaz, réduisant le risque de combustion incomplète et la production de CO.