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Bonjour par rapport à la maxime "Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme", je me posais la question: dans l'hypothèse ou l'on brûle une bûche de bois d'un kilogramme dans un volume d'air de 10m cube fermé hermétiquement, est-ce que la masse de ce volume serrait réduite d'un kilogramme ou resterait la même que au départ? merci

Question de Lio, 29 ans

Didier Perret

Réponse de Didier Perret

Docteur

Section de chimie et biochimie
Université de Genève

Cette question est extraordinairement complexe car elle implique d’une part de connaître la composition chimique du matériau "bois", et d’autre part de connaître les conditions thermodynamiques dans lesquelles la combustion aurait lieu.

Le bois est un matériau possédant une grande complexité chimique, mais on peut résumer sa composition ainsi, selon les essences d’arbres considérées: environ 50% de cellulose, environ 15-25% d’hémicellulose, et environ 20-23% de lignine, ainsi que des traces de divers sels minéraux.

Les formules moléculaires de ces constituants principaux du bois sont complexes, mais peuvent être approximées par [C6H10O5]n pour la cellulose et l’hémicellulose, et par [C9H10O2C10H12O3C11H14O4]n (simplifiable par [C30H36O9]n) pour la lignine. On peut aussi considérer, comme ordres de grandeur, que le bois contient, en masses, environ 50% d’atomes de carbone C, environ 42% d’atomes d’oxygène O, et environ 6% d’atomes d’hydrogène H.

Pour simplifier la réflexion, on peut considérer, comme modèle de "molécules du bois", la molécule simple de sucre C6H12O6; ce modèle idéal est représentatif des molécules organiques (principalement des polysaccharides, donc des "polysucres") constituant le bois.

Le processus de combustion parfaite de la matière organique est, quant à lui, très simple à formuler: En considérant la matière organique du bois comme constituée exclusivement de molécules simples de sucre C6H12O6, chaque molécule C6H12O6 (le "carburant") requiert 6 molécules de dioxygène O2 (le "comburant") présent dans l’air pour brûler lorsqu’on soumet ces molécules à une source initiale de chaleur (voir le "triangle du feu": carburant-comburant-chaleur). Cette combustion idéale conduit à la production de 6 molécules de dioxyde de carbone CO2 et de 6 molécules d’eau H2O.

Exprimée en masses de molécules, la combustion de 1 kg de bois (qu’on considère comme étant constitué de 1 kg de molécules de sucre C6H12O6) nécessite environ 1.07 kg de molécules de dioxygène O2 (ce qui représente environ 4.55 kg d’air, puisque l’air contient environ 78% de diazote N2 et environ 21% de dioxygène O2). A pression atmosphérique et température ambiante, ces 1.07 kg de dioxygène représentent environ 750 L de dioxygène (contenus dans 4.55 kg d’air qui représentent environ 3'567 L d’air. Ces 750 L de dioxygène, c’est-à-dire 0.75 m3, nécessaires à la combustion représentent donc environ 7.5 % du volume total d’air (10 m3) du problème de notre internaute.

En consommant environ 1.07 kg de dioxygène (donc environ 0.75 m3), ce kilogramme de bois produit idéalement (si la combustion est parfaite) environ 1.5 kg de dioxyde de carbone (qui représentent environ 0.75 m3 de CO2) et environ 600 g d’eau sous forme de vapeur (qui représentent environ 0.75 m3 de H2O).

Au final, et en tenant compte de toutes les simplifications ci-dessus, 1 kg de bois "idéal" a besoin d’environ 0.75 m3 de dioxygène pour brûler et pour produire environ 0.75 m3 de dioxyde de carbone et environ 0.75 m3 de vapeur d’eau. On voit donc que le VOLUME TOTAL de gaz augmente au cours de la combustion. Ceci n’est vrai qu’à l’air libre, mais notre internaute indique que le volume d’air disponible est hermétiquement fermé; ainsi, pour contenir les molécules de dioxyde de carbone et les molécules d’eau sous forme de vapeur, ce VOLUME CONSTANT assiste à une augmentation de la PRESSION.

Dans ces conditions complexes, il est difficile de modéliser ce qu’il advient de notre "combustion idéale" (qui n’est plus idéale du tout…). Si on considère malgré tout que les conditions sont toujours idéale pour que le kilogramme de bois brûle parfaitement (consomme 1.07 kg de dioxygène) et produise parfaitement 1.5 kg de dioxyde de carbone et 0.6 kg de vapeur d’eau, on voit au final que l’atmosphère hermétiquement fermée (10 m3 d’air, qui représentent environ 12.8 kg d’air à température ambiante et pression atmosphérique) se "déleste" de 1.07 kg de dioxygène pour se "bonifier" de 1.5 kg de dioxyde de carbone et de 0.6 kg de vapeur d’eau, c’est-à-dire d’une masse totale de 2.1 kg de gaz de combustion.

Sur la balance, les 10 m3 d’air initial pèsent environ 12.8 kg, tandis qu’au final, le volume de gaz de 10 m3 pèserait idéalement (en cas de combustion idéale) environ 12.8 kg d’air - 1.07 kg de dioxygène + 2.1 kg de dioxyde de carbone et de vapeur d’eau, c’est-à-dire environ 13.8 kg. On constate, pour conclure, que le kilogramme de bois initial, présent sous forme solide, s’est transformé en 1 kg de gaz (dioxyde de carbone + vapeur d’eau). L’honneur est sauf, puisqu’il y a conservation de la matière tout au long de ce processus complexe, même s’il a été simplifié à l’extrême pour les besoins de la démonstration!

19 août 2019

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