Pouvoir calorifique d'un combustible de substitution. Bts chimiste 2015

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Préparation de l’échantillon.
Le combustible doit être pressé sous forme de pastilles. Lorsqu’il est relativement mou (cas des textiles), on le rend cassant au contact du diazote liquide avant de le broyer et de l’introduire dans la pastilleuse. La fiche de sécurité d’utilisation du diazote liquide préconise le port de gants cryogéniques, d’un écran facial et des locaux de stockage ventilés afin d’éviter une anoxie (diminution de la quantité de dioxygène dans les tissus causée par la diminution du taux de dioxygène dans l’air inspiré).
 On donne la courbe associée à l’équilibre liquide-vapeur du diazote. Préciser l’état physique du diazote dans les zones 1 et 2. Comment nomme-t-on le point C, limite supérieure de cette courbe ?
Déterminer graphiquement la température, en kelvin, de l’équilibre liquide-vapeur du diazote sous une pression de 1,00 bar ; exprimer cette température en degré celsius afin de justifier l’utilisation de gants cryogéniques lors de la manipulation de diazote liquide.


Déterminer la quantité de matière contenue dans un volume V = 1,00 L de diazote liquide sous une pression de 1,00 bar. rL N2 =0,803 kg/L.
Masse de diazote : 803 g ; quantité de matière n = 803 / 28=28,68 ~28,7 mol.
 Déterminer le volume de gaz (supposé parfait) produit lors du passage de 1,00 L de diazote liquide à l’état gazeux à la température de l’équilibre liquide-vapeur sous une pression de 1,00 bar.
V = nRT / P = 28,68*8,314*78 / 105 =0,186 m3.
Déterminer la valeur de ce volume ramené dans les conditions de température et de pression du local (1,00 bar ; 20 °C). Justifier la nécessité de ventiler le local.
V = 28,68 *8,314*298 / 105=0,711 m3.
Ce volume est important par rapport au volume du local : une ventilation est nécessaire.

Mesure du pouvoir calorifique d’un combustible.
La pastille de combustible de masse m est placée à l’intérieur d’une bombe calorimétrique de capacité thermique C dans laquelle est introduit du dioxygène sous pression (30 bars) ; un système de mise à feu complète ce dispositif. L’ensemble est introduit dans un seau contenant une masse d’eau connue me. Le tout est disposé dans une enceinte adiabatique. Après la combustion, la mesure de l’élévation de température Dq de l’eau, lorsque l’équilibre thermique est atteint, permet de déterminer le pouvoir calorifique P du combustible utilisé.






Le technicien chimiste réalise ainsi une mesure avec une pastille d’acide benzoïque de pouvoir calorifique connu puis avec une pastille de combustible textile :
Nature du combustible

Acide benzoïque
Textile
Masse de la pastille (g)
m
1,03
1,12
Masse d'eau (kg)
me
1,978
2,035
Elévation de température (°C)
Dq
2,85
2,05

Que signifie le terme « adiabatique » ?
Les échanges de chaleur entre le système et le milieu extérieur sont nuls.
Établir la relation suivante donnant l’expression littérale de la capacité thermique C de la bombe calorimétrique : C = m P/
Dq -me ce.
Energie cédée par le combustible : Q =  -mP; énergie gagnée par l'eau :
me ceDq.
Energie gagnée par la bombe calorimétrique
CDq.
Système adiabatique :
-mP +me ceDq +CDq= 0 ; C = m P/Dq -me ce.
À l’aide des mesures effectuées avec l’acide benzoïque, déterminer la valeur numérique de la capacité thermique de la bombe calorimétrique. Pacide benzoïque = 26,5 MJ.kg-1.
C = 1,03 10-3 *2,65 107 / 2,85 -1,978*4,18 103 =1,31 103 J K -1.
En déduire le pouvoir calorifique du combustible textile Ptextile.
Ptextile=(C + me ce)Dq / m = (1,31 103 + 2,035*4,18 103)*2,05 / (1,12 10-3)=1,80 107 J.kg-1.
 Quels facteurs expérimentaux n’ont pas été pris en compte dans cette étude ?
Le système n'est pas complètement adiabatique.
Le dioxygène en excès et les produits issus de la combustion sont portès à température élevée.

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Traitement statistique.
Dans les mêmes conditions, le technicien effectue au total pour ce combustible huit mesures dont les résultats sont reportés ci-dessous :
Essai
1
2
3
4
5
6
7
8
Ptextile ( MJ kg-1)
18,0
17,9
18,2
18,2
17,9
17,9
18,0
17,8

  Donner la meilleure estimation du pouvoir calorifique du combustible.
Moyenne  : ( 18,0 + 17,9 +18,2 +18,2 +17,9 +17,9 +18,0 +17,8) / 8 =17,99 ~18,0 MJ kg-1.
 À l’aide de la calculatrice, calculer l’écart-type s pour cette série de huit mesures.
s = 0,146.
En utilisant la méthode de Student, déterminer l’intervalle dans lequel la valeur du pouvoir calorifique du combustible se trouve avec un niveau de
confiance de 95%.
 x = xmoy ± 2,37 s / n½ =18,0 ±2,37*0,146 / 8½ =18,0 ±0,12 ~(18,0 ±0,2) MJ kg-1.

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