Aurélie 05/10/06
 

( d'après Capes 2006) Thermodynamique de la combustion du gaz naturel

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On s'intéresse à la combustion du gaz naturel, assimolé à du méthane dans le dioxygène

CH4(g) + 2 O2(g) = CO2(g) + 2H2O(liq) (1)

Structures moléculaires :

Les configurations électroniques des atomes H, C et O :

H : 1s1 ; C : 1s2 2s2 2p2 ; O : 1s2 2s2 2p4 ;

Formules de Lewis pour les molécules d'eau, de dioxyde de carbone et de méthane :

La géométrie de ces trois molécules dans le cadre de la méthode VSEPR

Aspects thermodynamiques :

On donne les enthalpies standart de formation à 298 K, en kJ mol-1.
espèces
CH4(g)
O2(g)
CO2(g)
H2O(liq)
DfH°
-74,4
0
-393,5
-285,8

L'enthalpie standard de formation du dioxygène gazeux à 298 K est nulle :

Etat standard : état physique sous lequel un corps pur est le plus stable, sous la pression atmosphérique (1 bar) et à une température donnée.

Enthalpie standard de formation : variation d'enthalpie accompagnant la formation d'une mole de composé à partir des éléments pris à l'état standard, à une température donnée, très souvant 298K.

Valeur de l'enthalpie standard de la réaction (1), notée DrH°1 :

DrH°1 = DfH°(CO2) + 2DfH°(H2O) - 2DfH°(O2) - DfH°(CH4)

DrH°1 =-393,5 + 2*(-285,8) -(-74,4) = -891 kJ mol-1.

 

On considère une enceinte de volume V= 1,00 m3 de gaz naturel, assimilé à du méthane pur, gaz parfait pris à 298 K sous une pression p0= 1,00 bar.
La quantité n de méthane contenue dans cette enceinte :

la loi des gaz parfait s'écrit : p0V=nRT soit n= p0V / (RT) = 105*1/(8,31*298) = 40,4 mol.
Energie libérée par la combustion totale de cette quantité n de méthane à T=298 K fixée et sous la pression p0= 1 bar fixée :

40,4 * 891 = 3,6 104 kJ
Combustion dans l'air :

L'air sec est composé de 78 % de diazote, de 21 % de dioxygène et de 1 % d'argon

Le volume d'air ( mélange de gaz parfait ontenant 20 % de dioxygène) nécessaire à la combustion de cette quantité n de méthane :

CH4(g) + 2 O2(g) = CO2(g) + 2H2O(liq) (1)

n(O2) = 2 n(CH4) = 2*40,4 = 80,8 mol. soit encore 2,00 m3 de dioxygène ; donc 10,0 m3 d'air.

On appelle tep ( tonne équivalent pétrole) l'unité correspondant à l'énergie libérée par la combustion d'une tonne de pétrole à T=298 K sous la pressio p0. On donne 1 tep = 42 109 J.
Masse de méthane dont la combustion dans les mêmes conditions peut libérer une énergie de 1 tep :

1 mole de méthane ( soit 16 g) libère 891 kJ ; 1 kg de méthane libèrera : 891*1000/16 = 5,57 104 kJ = 5,57 107 J

42 109 / 5,57 107 = 754 kg.
A masse égale, le méthane est un combustible plus efficace que le pétrole.

La combustion du méthane peut également s'effectuer suivant la réaction de combustion incomplète traduite par l'équation :
CH4(g) + 1,5 O2(g) = CO(g) + 2H2O(liq) (2) DrH°2= -533,3 kJ mol-1 à 298 K
Deux inconvénients importants de cette réaction par rapport à la réaction (1) :

- L'énergie libérée est inférieure ( environ 30%) par rapport à la combustion complète.

- Dans l'habitat, le monoxyde de carbone est un gaz mortel d'autant plus difficile à détecter qu'il est incolore et inodore.

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