Comment le charbonnier lit-il l'état du four dans la couleur de la fumée ?
― La fumée blanche, c'est de l'eau ; la fumée jaune, des composants du bois. Devenue incolore, le charbon est prêt
Le four à charbon reste fermé pendant des jours de cuisson. On ne voit pas l'intérieur. Pourtant, le charbonnier devine, à la couleur et à l'odeur de la fumée qui sort de la cheminée, « où en est » la transformation. La couleur de la fumée révèle directement ce que le bois abandonne à cette température.
Une cabane de charbonnier en montagne. Du côté du four en terre s'élève une fine cheminée. Peu après l'allumage du feu dans la bouche du four, une fumée bien blanche s'échappe à gros bouillons.
Puis la fumée jaunit, et une odeur âcre et acide pique le nez. Après encore quelques jours, la fumée bleuit et s'éclaircit, puis devient presque invisible.
Le charbonnier approche son visage de l'ouverture de la cheminée, vérifie la couleur et l'odeur, puis réduit l'arrivée d'air ou ferme le four. Et cela, sans jamais avoir regardé à l'intérieur.
La couleur de la fumée ne change que pour deux raisons
L'eau part d'abord, puis les composants du bois se décomposent en libérant des gaz et un liquide collant. Ce qui reste à la fin, c'est le charbon. Comme ce qui sort change, la fumée change aussi.
Les grosses gouttelettes d'eau paraissent blanches, les particules très fines paraissent bleutées. Les gouttelettes de liquide brun absorbent la lumière bleue, d'où une couleur jaune. La couleur révèle « l'identité » des particules.
En somme, la fumée est comme une « lettre » envoyée depuis l'intérieur du four. Le charbonnier en lit le contenu à travers sa couleur. Voyons cela dans l'ordre.
Qu'est-ce que le bois abandonne, à l'intérieur du four ?
Dans la fabrication du charbon, on chauffe le bois dans un four pauvre en air. Avec beaucoup d'air, le bois brûlerait complètement en cendres. En limitant l'air, le bois ne brûle pas entièrement : il subit une sorte de « cuisson à l'étouffée » et se décompose.
La première chose qui part, c'est l'eau. Même séché, le bois conserverait plus de 10 % de son poids en eau. Quand la température du four monte, cette eau se transforme en vapeur et sort par la cheminée. En contact avec l'air froid extérieur, elle redevient de minuscules gouttelettes d'eau, d'où une fumée toute blanche.
Une fois l'eau partie, les composants du bois lui-même commencent à se décomposer. Le bois est principalement constitué de trois composants, dans l'ordre de facilité de décomposition : l'hémicellulose, la cellulose et la lignine. Leur décomposition libère des gaz combustibles, un liquide acide contenant de l'acide acétique, et un « goudron » brun et collant. C'est à ce moment que la fumée jaunit et prend cette odeur acide.
Essayez de déplacer le curseur de la figure 1. À mesure que la température monte, la couleur de la fumée et le poids du bois restant dans le four changent. On voit le poids chuter brutalement autour de 300 °C.
Au-delà de 300 °C environ, la décomposition de la cellulose deviendrait une réaction qui dégage de la chaleur. Le bois commence alors à produire sa propre chaleur, et la carbonisation progresse sans qu'il soit nécessaire de continuer à chauffer depuis l'extérieur. Le charbonnier lit ce signal dans la fumée, réduit l'arrivée d'air et arrête d'ajouter du bois. Trop chauffer brûlerait le bois qui devait devenir charbon.
Quand la température monte encore, presque tout ce qui pouvait sortir est sorti. La fumée devient fine et bleutée, puis se rapproche de l'incolore. Si l'on ferme le four à ce moment, on obtient du charbon noir ; si l'on laisse entrer de l'air pour atteindre une température élevée avant de sortir le charbon et de l'étouffer sous la cendre, on obtient du charbon blanc. Le binchotan est un charbon blanc représentatif.
Pourquoi la même « fumée » change-t-elle de couleur, du blanc au jaune puis au bleu ?
La fumée est une multitude de minuscules particules en suspension dans l'air. Quand la lumière frappe une particule, elle est renvoyée dans toutes les directions : c'est la « diffusion ». La couleur de la fumée dépend de quelles couleurs de lumière sont diffusées ou absorbées, et en quelle quantité. Regardez la figure 2.
La première fumée blanche est faite de gouttelettes d'eau formées par le refroidissement de la vapeur. Ces gouttelettes sont plus grandes que la longueur d'onde de la lumière, donc elles diffusent de la même façon le rouge, le vert et le bleu. Le mélange de toutes les couleurs paraît blanc. C'est la même raison pour laquelle les nuages sont blancs.
La fumée jaunie contient des particules de goudron brun. Le goudron est une substance qui absorbe facilement la lumière bleue et violette. Quand le bleu disparaît de la lumière blanche, ce qui reste paraît jaune à brun.
La fumée bleue de la fin correspond à un état où les substances émises se raréfient et où les particules deviennent très fines. Des particules bien plus petites que la longueur d'onde de la lumière diffusent fortement la lumière bleue sur les côtés. La fumée paraît bleue vue de côté, pour la même raison que le ciel est bleu.
Le charbonnier ne regarde pas seulement la couleur. La fumée de la période jaune aurait une odeur acide qui pique les yeux, et vers la fin elle deviendrait une odeur piquante et irritante. Certains vérifient aussi la température à l'ouverture de la cheminée, à la main ou au thermomètre. Couleur, odeur et température : ces trois indices combinés permettent de lire l'intérieur du four.
Le vinaigre de bois est le liquide obtenu en refroidissant et recueillant, à mi-chemin dans la cheminée, la fumée de la période jaune. Ses principaux composants sont l'eau et l'acide acétique ; on l'utilise depuis longtemps notamment en jardinage. On le recueillerait de préférence quand la température à l'ouverture de la cheminée se situe entre environ 80 et 150 °C — l'expérience du charbonnier sert directement de repère pour sa fabrication.
Le charbon obtenu est un « résidu » qui a entièrement libéré ses composants gazeux dans le four. C'est pourquoi le carbone de sa surface réagit directement avec l'air, brûlant tranquillement en rougeoyant. Mais le feu de charbon dégage du monoxyde de carbone invisible. Il est essentiel de ne pas l'utiliser dans une pièce fermée (article sur le monoxyde de carbone).
Résumé
Le bois à l'intérieur du four abandonne son contenu dans l'ordre, à mesure que la température monte : d'abord l'eau, puis les gaz et le goudron issus de la décomposition. Ce qui change, en sortant, fait changer la taille et le type des particules de fumée, et la couleur passe du blanc au jaune, au bleu, puis à l'incolore. Le charbonnier lit ce changement de couleur comme « l'avancement » de l'intérieur du four.
La couleur de la fumée est l'étiquette de ce que le bois abandonne.
Quand elle devient incolore, ce qui reste est le charbon.
L'histoire du forgeron qui lit la température dans la couleur du fer chaud est racontée dans l'article sur le forgeron, et le mécanisme par lequel les fines particules diffusent le bleu est expliqué dans l'article sur le ciel bleu. Dans la flamme d'une bougie aussi, ce qui brûle est un gaz, pas un solide (article sur la mèche de bougie).
- Observez la fumée juste après avoir allumé le bois, ou juste après avoir ajouté du bois un peu humide. Si elle est blanche et dense, c'est surtout de l'eau qui sort.
- Une fois le bois noirci après un moment de combustion, comparez la couleur de la fumée sur fond de ciel clair et sur fond d'ombre sombre des arbres. Sur fond sombre, elle peut paraître bleutée ; sur fond de ciel clair, elle peut paraître jaunâtre.
- Quand il ne reste plus que des braises bien rouges, vérifiez que la fumée est devenue presque invisible. C'est le signe que le bois a libéré tout ce qu'il pouvait.
Faites du feu en présence d'un adulte, dans un endroit autorisé, et gardez de l'eau à portée de main. Placez-vous dans le sens du vent pour ne pas inhaler directement la fumée.
Pour en savoir plus ― vocabulaire, formules, liens avec les manuelsDu collège à l'université, le niveau de chaque notion est indiqué explicitement
- CollègeNotion vue en sciences au collège
- LycéeNotion vue en « chimie » ou « physique » au lycée
- Lycée＋Contenu avancé du lycée, ou traité en encadré dans les manuels
- UniversitéNon vu au lycée ; relève d'une discipline universitaire spécialisée (science du bois, génie de la combustion, diffusion de la lumière)
- RechercheNon encore enseigné comme « établi » même à l'université ; sujet actuellement étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Pyrolyse (carbonisation sèche) : le fait de chauffer une substance en l'absence d'air pour la décomposer. C'est la même chose que l'expérience du collège où l'on chauffe du bois dans une éprouvette.
- Carbonisation : la pyrolyse se poursuit et il reste un solide riche en carbone. Ce résidu est le charbon de bois.
- Diffusion : le fait que la lumière frappant de petites particules soit renvoyée dans diverses directions.
CollègeLycéeVérification par le calcul : combien de l'énergie du bois reste dans le charbon ?
Dans la fabrication du charbon, seulement environ 20 % du poids du bois devient charbon. Mais quelle part de l'énergie que possédait le bois reste-t-elle dans le charbon ? Comparons via la chaleur dégagée à la combustion (pouvoir calorifique).
| En symboles | η ＝ ( Y × H_charbon ) ÷ H_bois |
| En mots | Part d'énergie restant dans le charbon ＝ rendement en charbon × pouvoir calorifique du charbon ÷ pouvoir calorifique du bois |
| Origine de la formule | Conservation de l'énergie. L'énergie du bois se répartit entre « ce qui reste dans le charbon » et « ce qui sort en fumée/gaz et sert à chauffer le four ». |
| η | Part d'énergie restant dans le charbon (sans unité) |
| Y | Rendement en charbon : poids du charbon obtenu par rapport au poids du bois sec (sans unité) |
| H_charbon | Chaleur dégagée en brûlant 1 kg de charbon de bois (unité : MJ/kg) |
| H_bois | Chaleur dégagée en brûlant 1 kg de bois sec (unité : MJ/kg) |
| Bois sec mis dans le four | 10 kg |
| Rendement en charbon (repère pour charbon noir en four en terre) | environ 0,2 (20 %) |
| Pouvoir calorifique du bois sec | environ 18 MJ/kg |
| Pouvoir calorifique du charbon de bois | environ 30 MJ/kg |
| Poids de charbon obtenu | 10 × 0,2 ＝ 2 kg |
| Énergie que possédait le bois | 10 × 18 ＝ 180 MJ |
| Énergie restant dans le charbon | 2 × 30 ＝ 60 MJ |
| Part restant η | 60 ÷ 180 ≒ 0,33 |
| Énergie partie en fumée/gaz | 180 − 60 ＝ 120 MJ |
| Densité de chaleur par kg (charbon vs bois) | 30 ÷ 18 ≒ 1,67 |
| Chaleur pour chauffer 1 L d'eau de 20 à 100 °C | 4,19 × 80 ≒ 335 kJ |
| Eau que l'on pourrait chauffer avec 120 MJ (＝ 120000 kJ) | 120000 ÷ 335 ≒ 358 L |
Le poids tombe à 20 %, mais un tiers de l'énergie reste. Le charbon est un « combustible léger et concentré en chaleur ». Les deux tiers restants partent en fumée et en gaz, dont une partie brûle dans le four et le chauffe lui-même. Ce qui part représente presque deux bains (environ 200 L chacun) qu'on pourrait chauffer. C'est pourquoi la fumée est si dense qu'elle paraît du gaspillage.
LycéeLycée＋La décomposition absorbe-t-elle ou dégage-t-elle de la chaleur ?
LycéeLa cellulose, composant principal du bois, est un polymère formé d'un long enchaînement de glucose. Lors de la pyrolyse, cette chaîne se rompt, produisant de petites molécules (eau, dioxyde de carbone, monoxyde de carbone, méthanol, acide acétique, etc.) et des molécules plus grosses qui formeront le goudron. Cela rejoint les chapitres « chaleur de réaction » et « composés macromoléculaires » de la chimie du lycée.
Lycée＋L'étape d'élimination de l'eau absorbe de la chaleur. En revanche, autour de 280 à 400 °C, où la cellulose se décompose activement, la réaction globale dégagerait de la chaleur. Le bois faisant alors progresser lui-même sa carbonisation, le charbonnier guette ce moment pour réduire l'arrivée d'air. Le point de bascule vers une réaction exothermique varie selon l'essence de bois et la vitesse de chauffe.
UniversitéLa « thermogravimétrie » pour mesurer la perte de poids, et la « diffusion » qui dépend de la taille des particules
La courbe de perte de poids telle que celle de la figure 1 est obtenue par « analyse thermogravimétrique », qui consiste à peser en continu un échantillon pendant qu'on le chauffe progressivement. L'hémicellulose, la cellulose et la lignine se décomposent chacune dans une plage de température différente, ce qui apparaît comme des paliers dans la courbe de perte. Quant à la couleur de la fumée, elle s'explique par la théorie de la diffusion de la lumière. Pour des particules bien plus petites que la longueur d'onde de la lumière, on observe la « diffusion de Rayleigh », dont l'intensité est inversement proportionnelle à la puissance quatre de la longueur d'onde. Pour des particules de taille comparable ou supérieure à la longueur d'onde, on observe la « diffusion de Mie », où les différences selon la couleur s'atténuent, d'où un aspect blanc. La synthèse d'Antal et Grønli donne une bonne vue d'ensemble technique de la fabrication du charbon.
📖 Pour la démonstration des formules et pour aller plus loin : Diffusion de Rayleigh (Wikipédia, en japonais) ／ Diffusion de Mie (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore bien élucidé
- Le chemin réactionnel de la pyrolyse Même pour la cellulose seule, plusieurs théories existent sur quelles liaisons se rompent dans quel ordre, et tous les intermédiaires n'auraient pas été identifiés.
- Les conditions pour augmenter le rendement On sait qu'augmenter la pression accroît le rendement en charbon, mais le mécanisme détaillé et les conditions optimales selon l'essence de bois restent étudiés.
- La croissance des particules de fumée La manière dont les particules de goudron s'assemblent et grossissent en refroidissant, et changent de couleur, n'a pas encore été mesurée de façon suffisante selon les conditions.
Autrement dit, le contenu de cet article aussi n'est qu'« une explication dans l'état actuel des connaissances ». C'est aussi un domaine où la science rattrape peu à peu les repères que les charbonniers ont acquis par l'expérience.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Passage de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences « états de la matière » (expérience de chauffage du bois, changements d'état) | L'eau devient vapeur et sort, le bois donne charbon et gaz |
| Lycée | Chimie « chaleur de réaction », « composés macromoléculaires » | Comparaison des pouvoirs calorifiques, décomposition de la cellulose |
| Lycée＋ | Chimie (approfondissement) | Le basculement de la décomposition vers l'exothermie |
| Université | Science du bois, génie de la combustion, théorie de la diffusion de la lumière | Analyse thermogravimétrique, diffusion de Rayleigh et de Mie |
| Recherche | Chimie de la pyrolyse, science des aérosols | Chemin réactionnel, croissance des particules de fumée |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Gestion des feux de camp et braises, prudence face au monoxyde de carbone |
- Antal, M. J. & Grønli, M. (2003) The Art, Science, and Technology of Charcoal Production. Industrial & Engineering Chemistry Research 42
- Charbon de bois (Wikipédia, en japonais) (木炭)
- Bohren, C. F. & Huffman, D. R. (1983) Absorption and Scattering of Light by Small Particles. Wiley
- Diffusion de Rayleigh (Wikipédia, en japonais)
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs chiffrées indiquées sont des repères ou des estimations destinés à faire comprendre le mécanisme. La correspondance entre la couleur de la fumée et la température varie selon la forme du four, l'essence du bois et son degré de séchage. Pour tout usage du feu, suivez les consignes des services locaux de sécurité incendie et des autorités.