La flamme résulte d’une réaction exothermique de combustion. La combustion est une réaction d’oxydo-réduction. Pour qu’il y ait combustion, il faut que trois éléments soient réunis :
- un combustible, le matériau qui sera oxydé,
- un comburant, l’élément oxydant, généralement du dioxygène gazeux,
- un apport de chaleur initial (on parle d’énergie d’activation).
Le combustible est le plus souvent un végétal ou un hydrocarbure mais cela peut aussi être un métal ou un sel. Il peut se trouver sous forme solide, liquide ou gazeuse. L’apport de chaleur peut être de faible durée (une simple étincelle peut suffire). Le dégagement de chaleur de la combustion entretient ensuite la réaction.
Structure d’une flamme
Si le combustible se présente initialement sous diverses formes, la réaction de combustion se produit toujours entre deux gaz. C’est là qu’intervient l’apport de chaleur. Cet apport de chaleur décompose le combustible en différents éléments dont certains sont volatils. Cette décomposition peut être le produit d’une distillation ou d’une pyrolyse. Elle intervient dès lors que l’on dépasse le point éclair, c’est-à-dire la température à laquelle un combustible émet des vapeurs qui peuvent s’enflammer lorsqu’elles sont mélangées à l’air ambiant.
Une fois la combustion démarrée, la flamme va pouvoir se développer. A la base, la couleur de la flamme est monochrome. Elle résulte d’un phénomène de luminescence. La réaction d’oxydoréduction se traduit par un saut quantique des électrons au sein des molécules de gaz qui se combinent. Dans le cas d’une bougie, d’une allumette ou d’un morceau de bois, cette couleur est bleue et elle est due à la production de CO2. D’autres éléments donnent d’autres couleurs : jaune pour le sodium, vert pour le baryum… De quoi satisfaire tous les amateurs de feu d’artifice.
Nota : dans le cas d’une bougie, la chaleur fait fondre la cire (de la stéarine) qui monte le long de la mèche avant de se vaporiser.
Au-dessus de cette zone de combustion (en général une couche assez mince), s’élèvent du fait de la poussée d’Archimède les produits de la combustion et les gaz imbrûlés très chauds. Cette colonne qui monte est pauvre en oxygène et la combustion ne peut plus s’y produire. Les molécules qui s’y trouvent se combinent pour former de la suie. Les particules de suie chauffées à plus de 1500°C sont incandescentes. Elles émettent un rayonnement de type corps noir. Il est presque blanc à la limite de la zone de combustion puis tire vers le jaune orangé à mesure que la flamme monte et se refroidit.
Le mouvement ascendant du gaz dans la flamme crée un mouvement de convection : l’air est aspiré à la base de celle-ci et entretient la combustion, donc la chaleur.
Flamme de prémélange
La belle couleur jaune orangé de la flamme est due à la présence de gaz imbrûlés et de suie. Dans le brûleur d’une gazinière ou en sortie d’un chalumeau, le mélange est réglé de façon à ce que la combustion soit complète. C’est pour cela que la flamme d’une gazinière est bleue.
