Dans une bougie, est-ce la mèche qui brûle ?
― Ce qui brûle, c'est la cire devenue gaz
La mèche d'une bougie n'est pas le combustible. La cire solide ne brûle pas telle quelle. La mèche joue le rôle d'une « pompe » : elle aspire la cire fondue et la transforme en gaz. Et elle se tient elle-même à l'endroit de la flamme où il est le plus difficile de brûler.
Une nuit de panne de courant, ou un gâteau d'anniversaire : vous allumez une bougie. Au bout d'une mèche fine, la flamme vacille doucement.
Beaucoup de gens pensent que le fil brûle et que la cire autour n'est qu'un support. Mais alors la mèche serait consumée en quelques secondes. En réalité, une bougie brûle pendant des heures.
Ce qui diminue, ce n'est pas la mèche, c'est la cire. Que se passe-t-il donc dans la flamme ?
Deux raisons seulement expliquent que la mèche ne brûle pas
La cire solide ne s'enflamme pas quand on approche une flamme. Elle fond sous l'effet de la chaleur, monte le long de la mèche, puis devient gaz : alors seulement elle brûle. Le combustible, c'est toujours la cire.
Le cœur de la flamme est rempli de cire gazeuse, et l'oxygène y parvient à peine. La mèche s'y tient, et elle est sans cesse refroidie par la cire qui s'évapore.
La flamme ne brûle donc qu'à la surface extérieure d'un « nuage de cire gazeuse » qui flotte autour de la mèche. Voyons cela pas à pas.
Pourquoi la cire solide ne brûle-t-elle pas telle quelle ?
Brûler, c'est qu'un combustible se combine à l'oxygène de l'air en dégageant de la chaleur et de la lumière. Pour cela, les molécules du combustible et celles de l'oxygène doivent se rencontrer.
Dans la cire solide, les molécules sont serrées les unes contre les autres. L'oxygène ne touche que la surface. La chaleur de la flamme fait donc d'abord fondre la cire autour de la mèche : c'est la petite flaque de liquide au sommet de la bougie.
La cire fondue monte dans les interstices entre les fibres de la mèche. C'est le même mécanisme que l'eau qui remonte dans une serviette dont un coin trempe dans l'eau. Chauffée en haut de la mèche, la cire devient gaz et s'en détache.
Regardez la figure 1. Juste autour de la mèche, il y a une zone qui paraît sombre. C'est là que la cire gazeuse s'accumule, sans encore brûler. Seule la couche extérieure de la flamme, où elle rencontre l'oxygène venu de l'extérieur, brûle.
Pourquoi la mèche, plongée dans la flamme, ne se consume-t-elle pas ?
Il y a deux raisons. La première : il n'y a pas d'oxygène. Autour de la mèche, tout est rempli de cire gazeuse, et l'air extérieur est entièrement consommé par la couche extérieure de la flamme. Sans partenaire pour réagir, la mèche ne peut pas brûler.
La seconde : elle est refroidie. Quand la cire passe de l'état liquide à l'état gazeux, elle prend de la chaleur à ce qui l'entoure. C'est comme la sueur qui sèche et rafraîchit la peau. La mèche se trouve en permanence dans une zone « refroidie par l'évaporation ».
La température de la flamme varie aussi beaucoup selon l'endroit. La couche extérieure atteindrait environ 1400 ℃, alors que la zone sombre autour de la mèche serait bien plus basse. « Une flamme est plus chaude en son centre » est d'ailleurs une idée fausse courante.
Cela dit, la mèche ne reste pas totalement intacte. Les mèches actuelles sont tressées. En brûlant, leur pointe se courbe un peu, et seule l'extrémité qui dépasse hors de la flamme se consume peu à peu. La longueur de la mèche se règle ainsi d'elle-même.
Avant que l'on ne tresse les mèches, c'étaient de simples fils torsadés droits. Leur bout ne se consumait pas complètement dans la flamme, s'allongeait, et la flamme devenait sombre et fumeuse. On coupait donc de temps en temps le bout de la mèche avec des ciseaux spéciaux. Si la mèche brûlait vraiment, cet outil n'aurait pas été nécessaire.
Avant de rencontrer l'oxygène, la cire gazeuse se décompose sous l'effet de la chaleur en fines particules de carbone (la suie). Le jaune vif de la flamme est la lumière de ces particules chauffées. La flamme d'une cuisinière à gaz est bleue parce que le combustible et l'air sont déjà mélangés : il se forme presque pas de suie.
En résumé
Le combustible d'une bougie, c'est la cire. La cire solide fond, monte le long de la mèche, devient gaz, puis brûle dans la couche extérieure de la flamme, là où elle rencontre l'oxygène de l'air. La mèche se tient au centre de la flamme, où l'oxygène n'arrive pas et où l'évaporation refroidit : elle ne brûle donc presque pas. Son vrai travail est d'aspirer la cire et de la transformer sans cesse en gaz.
La mèche n'est pas un combustible : c'est une pompe qui change la cire en gaz.
La flamme ne brûle qu'à la surface extérieure d'un nuage de cire gazeuse.
Ce mécanisme, où le combustible brûle après être devenu gaz, est étroitement lié à la raison pour laquelle un feu mourant jaillit en colonne de flammes quand on lui rajoute du combustible. Le lien entre la couleur d'une flamme et sa façon de brûler est aussi abordé dans l'article sur le monoxyde de carbone.
- Sur un support stable, loin de tout objet inflammable, allumez la bougie et laissez-la brûler environ une minute pour former une flaque de cire liquide. Gardez un verre d'eau à côté.
- Soufflez-la : une fine fumée blanche s'élève de la mèche. C'est de la « cire qui était gazeuse », refroidie en minuscules particules.
- Aussitôt, approchez une allumette enflammée de la fumée, à 2–3 cm au-dessus de la mèche. La flamme descend le long de la fumée et rallume la bougie sans toucher la mèche.
C'est la preuve que ce qui a brûlé, ce n'est pas la mèche, mais la « cire » devenue fumée. Si vous attendez trop après avoir soufflé, la fumée se dissipe et cela ne marche plus. Comme on utilise du feu, ne le faites qu'en présence d'un adulte.
Pour aller plus loin ― termes, formules, lien avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de chimie du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Matière universitaire non vue au lycée (combustion, génie des réactions)
- RechercheSujets que les chercheurs étudient en ce moment, pas encore des acquis des cours
CollègeVocabulaire : ce phénomène a des noms
- Combustion : transformation chimique où une substance se combine à l'oxygène en dégageant chaleur et lumière. Quand la cire brûle, il se forme du dioxyde de carbone et de l'eau.
- Capillarité : phénomène par lequel un liquide monte de lui-même dans un interstice très fin. C'est ainsi que la mèche aspire la cire.
- Chaleur de vaporisation (d'évaporation) : chaleur prise à l'environnement quand un liquide devient gaz. C'est la raison pour laquelle la mèche est refroidie.
- Zone externe, intermédiaire, interne : noms des parties de la flamme (extérieur, milieu, autour de la mèche). La zone externe est la plus chaude.
CollègeLycéeVérifier par le calcul : quelle chaleur dégage une bougie ?
Une fois acquis que le combustible est la cire et non la mèche, on peut calculer la chaleur dégagée à partir de la quantité de cire brûlée par seconde.
| En symboles | P ＝ ṁ × Q |
| En mots | puissance thermique de la flamme ＝ masse de cire brûlée par seconde × chaleur dégagée par 1 g de cire brûlée |
| D'où vient-elle ? | De la conservation de l'énergie : l'énergie chimique de la cire brûlée est entièrement libérée sous forme de chaleur et de lumière |
| P | Puissance thermique de la flamme. Unité : le watt (W, joules par seconde) |
| ṁ | Masse de cire brûlée par seconde. Unité : gramme par seconde |
| Q | Chaleur de combustion : chaleur dégagée par 1 g de cire entièrement brûlée. Unité : joule par gramme |
| Chaleur de combustion de la cire de paraffine | environ 46000 joules par gramme |
| Cire brûlée en 1 heure par une bougie domestique | environ 6 g (selon l'épaisseur) |
| Secondes dans 1 heure | 3600 secondes |
| Masse de cire d'une bougie (plutôt petite) | 20 g |
| Chaleur dégagée en 1 heure | 46000 × 6 ＝ 276000 joules |
| Par seconde (＝P) | 276000 ÷ 3600 ≒ 76,7 watts |
| Durée de combustion d'une bougie de 20 g | 20 ÷ 6 ≒ 3,3 heures |
Une petite flamme dégage environ 77 watts de chaleur. C'est plus qu'une ancienne ampoule à incandescence de 60 watts, et proche de la chaleur d'un adulte au repos (environ 100 watts). Cela dure plus de 3 heures parce qu'il y a 20 g de cire comme combustible. La fine mèche en pèse quelques centièmes seulement : si elle était le combustible, la flamme s'éteindrait en quelques secondes.
LycéeLycée+La réaction de combustion de la cire et l'origine de la lumière
LycéeLa paraffine est un mélange de molécules à longue chaîne (des alcanes) faites uniquement de carbone et d'hydrogène. Prenons comme exemple une molécule à 25 atomes de carbone : la réaction de combustion s'écrit ainsi.
C25H52 ＋ 38 O2 → 25 CO2 ＋ 26 H2O
Il faut 38 molécules d'oxygène pour une seule molécule de cire. Cet oxygène arrive peu à peu de l'extérieur de la flamme, c'est pourquoi la combustion se limite à une mince couche extérieure.
Lycée+La lumière jaune de la flamme n'est pas celle de la réaction chimique elle-même. C'est un « rayonnement thermique » : les grains de suie chauds brillent d'une couleur qui dépend de leur température, comme la braise ou une résistance électrique rougeoyante. La lumière de la base bleue, elle, vient de molécules formées en cours de réaction, qui émettent des couleurs bien déterminées : le mécanisme est tout autre.
Univ.Flamme de diffusion : la vitesse d'« infiltration » de l'oxygène règle la combustion
Une flamme comme celle de la bougie, où combustible et oxygène arrivent de directions différentes et brûlent là où ils se rencontrent, s'appelle une flamme de diffusion (combustion par diffusion). On l'oppose à la flamme de prémélange, où l'on mélange avant de brûler, comme dans un brûleur à gaz. Dans une flamme de diffusion, la réaction elle-même est assez rapide ; la vitesse de combustion est fixée par la vitesse à laquelle combustible et oxygène se mélangent par diffusion. La flamme se plaque donc en couche mince sur la surface où leurs proportions sont exactement équilibrées. Cette idée est connue sous le nom de modèle de surface de flamme de Burke et Schumann. La quantité de cire que la mèche fait monter est déterminée par la capillarité et par l'équilibre de la chaleur qui revient de la flamme vers la flaque : la taille de la flamme se maintient ainsi automatiquement.
📖 Démonstration des formules et suites : Combustion par diffusion (Wikipédia en japonais) ／ Capillarité (Wikipédia en japonais)
RechercheCe que l'on ne sait pas encore bien
- Comment la suie naît-elle ? L'étape où les molécules gazeuses forment les premières particules, de l'ordre du nanomètre, est encore étudiée en détail. C'est un enjeu lié à la pollution de l'air et à la santé.
- Les flammes sans pesanteur. Dans la station spatiale, l'air chaud ne monte pas, et la flamme d'une bougie serait ronde et bleuâtre. Des expériences se poursuivent pour savoir dans quelle mesure la gravité fixe la forme et l'éclat de la flamme.
- Des flammes de bougies voisines qui vacillent à l'unisson. Des chercheurs japonais ont rapporté que les flammes de bougies groupées pulsent environ 10 fois par seconde, et que deux flammes rapprochées synchronisent leur rythme. Le détail du mécanisme est en cours d'étude.
Le contenu de cet article n'est donc lui aussi qu'une « explication de l'état actuel des connaissances ». La bougie, sujet de conférences il y a plus de 160 ans, reste aujourd'hui un objet de recherche.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, 1re année « changements d'état », 2e année « transformations chimiques (combustion) » | La cire fond et devient gaz avant de brûler |
| Lycée | Chimie de base « équations chimiques », chimie « chaleur de réaction » | Équation de combustion ; calcul de la puissance thermique à partir de la chaleur de combustion |
| Lycée+ | Physique : approfondissement sur le « rayonnement thermique » | La lumière jaune est le rayonnement thermique de la suie |
| Univ. | Combustion « flamme de diffusion », chimie des interfaces « capillarité » | Pourquoi la flamme se plaque sur une mince surface extérieure |
| Recherche | Formation de la suie, combustion en microgravité, oscillation et synchronisation des flammes | Ce que l'on ne sait pas encore |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Manipuler une bougie ; juger la combustion à la couleur de la flamme |
- Présentation de l'ouvrage de Michael Faraday, Histoire d'une chandelle (ロウソクの科学, 1861 ; traductions japonaises en Iwanami Bunko (岩波文庫), Kadokawa Bunko (角川文庫), etc.)
- Combustion par diffusion (拡散燃焼), Wikipédia en japonais
- Chaleur de combustion (燃焼熱), Wikipédia en japonais
- Société japonaise des ingénieurs mécaniciens (日本機械学会), dir., Manuel de génie de la combustion (燃焼工学ハンドブック), Maruzen (丸善)
- Kitahata, H. et al. "Oscillation and Synchronization in the Combustion of Candles", The Journal of Physical Chemistry A (2009)
※ Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs données sont des ordres de grandeur, destinés à comprendre les mécanismes. Quand vous utilisez une bougie ou tout autre feu, éloignez-la des objets inflammables et ne la laissez pas sans surveillance.