La farine peut-elle vraiment exploser ?
― Dans son sac, elle brûle mal ; en suspension, elle s'embrase en un instant
Oui, c'est vrai. Approchez une flamme d'un tas de farine : seule la surface noircit. Mais quand la même poudre flotte dans l'air en nuage, la flamme saute de grain en grain en un clin d'œil, et c'est l'explosion. Ce qui compte, ce n'est pas la quantité de poudre, mais « la surface en contact avec l'air » et « l'air entre les grains ».
Vous voulez faire un gâteau. Vous ouvrez d'un geste vif un sac de farine, et un nuage blanc s'élève. Juste à côté, la flamme de la cuisinière à gaz est allumée.
On ne pense pas d'ordinaire que la farine puisse causer un incendie. Si l'on pose une allumette sur un tas de farine, il a du mal à s'enflammer.
Pourtant, dans les minoteries et les mines de charbon, de grosses explosions de poussières se sont produites à de nombreuses reprises. La poudre est la même : alors, qu'est-ce qui change ?
Seulement deux raisons
Un objet brûle par sa surface, celle qui touche l'air. Quand on broie un bloc, les faces cachées à l'intérieur se retrouvent à l'extérieur. En poudre, pour la même quantité, la surface est multipliée par plusieurs milliers.
Dans un tas, il reste peu d'air entre les grains, et le feu n'avance pas en profondeur. En suspension, tous les grains baignent dans l'air, et la flamme passe de l'un à l'autre sans s'arrêter.
La quantité de chaleur dégagée par la combustion est la même pour un bloc et pour une poudre. Ce qui change, c'est le temps qu'elle met à se libérer. Une chaleur qui sort d'ordinaire en plusieurs minutes se concentre en un instant : voilà ce qu'est une explosion.
De combien la surface qui brûle augmente-t-elle quand on broie ?
Imaginez un morceau de sucre de 1 cm de côté. Ses six faces donnent une surface exposée de 6 cm². Si on le découpe en petits cubes de 1 mm de côté, la surface totale est multipliée par 10 : 60 cm².
Si l'on broie encore, jusqu'à la taille d'un grain de farine, la surface totale est multipliée par 1000 : 6000 cm², soit environ 40 cartes postales. Le poids reste celui d'un seul morceau de sucre. Avec le curseur de la figure 1, changez la taille des grains.
On estime que la vitesse de combustion est, en gros, proportionnelle à la surface en contact avec l'air. Si la surface est multipliée par 1000, la même quantité de matière brûle en beaucoup moins de temps.
Pourquoi la suspension dans l'air est-elle dangereuse ?
Avec la raison 1 seule, un tas de poudre serait déjà dangereux. Pourtant, dans un tas, seule la surface noircit, et le feu se propage mal. Les grains sont collés entre eux, et l'air (l'oxygène) des interstices s'épuise vite.
Quand la poudre flotte, tout change. Chaque grain est entouré d'air. Quand l'un s'enflamme, sa chaleur réchauffe les grains voisins, qui s'allument à leur tour. La flamme envahit tout le nuage d'un coup, et l'air chaud, brusquement dilaté, repousse tout autour de lui.
Plus redoutable encore, la « seconde explosion » de la figure 2. Le souffle de la première petite explosion soulève la poudre déposée au sol et sur les étagères. Quand la flamme l'atteint, un nuage bien plus gros brûle d'un seul coup. On estime que, dans beaucoup de grands accidents d'usine, c'est cette seconde explosion qui a fait le plus de dégâts.
La fine poussière de charbon explose elle aussi quand elle est soulevée. En 1963, lors de l'explosion de poussières de charbon à la mine Mitsui Miike Mikawa, dans la préfecture de Fukuoka, 458 personnes sont mortes. On estime que la poussière déposée dans les galeries a été soulevée, et que la flamme a couru très loin.
La farine n'est pas seule en cause. Le sucre, l'amidon, le lait en poudre, les copeaux de bois, la poudre d'aluminium (un métal) et d'autres peuvent exploser s'ils sont finement dispersés. En 2015, lors d'un événement en plein air à Taïwan, de l'amidon coloré projeté dans l'air a pris feu, et 15 personnes sont mortes.
Alors, que faire ?
- Ne soulevez pas de poudre près d'une flammeN'ouvrez pas un sac d'un geste brusque et ne secouez pas de poudre près de la cuisinière.
- Ne jetez jamais de farine sur de l'huile qui brûleLa poudre se disperse et le feu risque de s'étendre d'un coup. Couvrez la casserole avec un couvercle adapté, ou utilisez un extincteur.
- Nettoyez la poudre accumulée sans la soufflerSouffler sur la poudre d'un atelier crée un nuage. Enlevez-la à l'aspirateur ou avec un chiffon humide.
Coupez d'abord le gaz ou éteignez la machine pour supprimer la source de chaleur. Si les flammes risquent de s'étendre, n'essayez pas de les éteindre de force : fuyez aussitôt et évacuez les lieux. Une fois dehors, appelez les secours (le 119 au Japon). Un nuage de poudre s'embrase en un instant : ne vous approchez pas pour vérifier.
En résumé
Qu'une poudre explose ou non dépend moins de sa nature que de « sa finesse » et de « son mélange avec l'air ». Les grains fins offrent une grande surface de combustion, et les grains en suspension sont entourés d'air. Quand ces deux conditions sont réunies, la chaleur qui sortirait d'ordinaire en plusieurs minutes se libère en un instant.
Il n'existe pas de poudre qui ne brûle pas.
Il n'y a que des poudres qui ne sont pas encore en suspension.
Pour comprendre comment la chaleur s'accumule jusqu'à l'inflammation spontanée, lisez « Pourquoi un chiffon huilé s'enflamme-t-il sans aucune flamme ? » ; pour savoir pourquoi il ne faut pas verser d'eau sur un feu d'huile, lisez « Pourquoi verser de l'eau sur de l'huile de friture en feu fait-il jaillir une colonne de flammes jusqu'au plafond ? ».
- Préparez un morceau de sucre et du sucre semoule de même poids.
- Versez la même quantité d'eau dans deux verres, mettez-y les deux sucres en même temps, et observez sans remuer.
- Le sucre semoule devrait se dissoudre et disparaître bien plus vite. Plus la surface en contact avec l'eau est grande, plus le changement est rapide.
Pour la combustion, la réaction part aussi de la « surface en contact ». Ne tentez jamais d'enflammer de la poudre, y compris en imitant des vidéos vues sur Internet.
Pour aller plus loin ― termes, formules, liens 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.Matières spécialisées de l'université, non vues au lycée (ingénierie de la combustion, sécurité industrielle)
- RechercheSujets que les chercheurs étudient en ce moment, pas encore enseignés comme acquis, même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Explosion de poussières : phénomène où une poudre combustible en suspension dans l'air s'enflamme, et où la flamme se propage d'un coup en provoquant une explosion.
- Aire de surface : somme des surfaces d'un objet. Pour une même quantité, elle augmente à mesure qu'on la divise en morceaux plus fins.
- Limite inférieure d'explosivité : concentration en dessous de laquelle la poudre en suspension est trop diluée pour que la flamme passe de grain en grain.
CollègeLycéeVérifier par la formule : quelle est la surface de 1 cm³ de poudre ?
On découpe un bloc de volume donné en petits cubes de même côté, et on calcule la surface totale.
| En symboles | S ＝ 6 × V ÷ d |
| En mots | surface totale ＝ 6 × volume total ÷ taille d'un grain |
| D'où vient-elle ? | Un grain a 6 faces, soit « 6 × d² », et le nombre de grains est « V ÷ d³ ». En multipliant, un d s'annule : plus les grains sont petits, plus la surface est grande |
| S (symbole) | Surface totale. Unité : cm² |
| V (symbole) | Volume total. Ici 1 cm³ (à peu près un morceau de sucre) |
| d (symbole) | Taille d'un grain (côté). Bloc : 1 cm ; poudre fine : 0,001 cm (0,01 mm) |
| Surface d'une carte postale | 10 cm × 14,8 cm, soit 148 cm² |
| Limite inférieure d'explosivité (la plupart des poudres) | De l'ordre de quelques dizaines de grammes par mètre cube |
| 6 × V (V＝1) | 6 × 1 ＝ 6 |
| Bloc (d＝1 cm) | 6 ÷ 1 ＝ 6 cm² |
| Poudre (d＝0,001 cm) | 6 ÷ 0,001 ＝ 6000 cm² |
| Multiplié par combien ? | 6000 ÷ 6 ＝ 1000 fois |
| Combien de cartes postales ? | 6000 ÷ 148 ≒ 40,5 cartes |
| Grains alignés sur un côté | 1 ÷ 0,001 ＝ 1000 grains |
| Nombre de grains (longueur × largeur) | 1000 × 1000 ＝ 1000000 grains |
| Nombre de grains (× hauteur) | 1000000 × 1000 ＝ 1000000000 grains |
La poudre d'un morceau de sucre se divise en environ 1 milliard de grains, et offre environ 40 cartes postales d'« entrée pour le feu ». Chaque fois qu'on divise les grains par 10, cette surface est encore multipliée par 10.
| Surface au sol d'une pièce de 6 tatamis | Environ 9,9 m² |
| Volume de la pièce (plafond à 2,4 m) | 9,9 × 2,4 ≒ 23,8 m³ |
| 1 kg (1000 g) de farine répartis uniformément dans la pièce | 1000 ÷ 23,8 ≒ 42 g (par mètre cube) |
Même dans cette hypothèse extrême d'une dispersion uniforme dans toute la pièce, on atteint à peine la concentration considérée comme limite inférieure. Il est donc peu probable qu'un usage normal en cuisine fasse exploser toute la pièce. Mais un vrai nuage n'est pas uniforme : près de l'ouverture du sac ou de la cuisinière, il peut être localement bien plus dense. Le danger, c'est le « petit nuage dense » formé près du feu.
LycéeLycée+Vitesse de réaction et surface
LycéeDans le chapitre de chimie sur la « vitesse de réaction », on apprend que pour une réaction impliquant un solide, plus la surface est grande, plus elle est rapide. L'explosion de poussières en est un cas extrême. La chaleur totale dégagée par la combustion (chaleur de combustion) ne change pas ; seule la vitesse de dégagement augmente de plusieurs ordres de grandeur.
Lycée+Pour que le feu prenne, la concentration de poudre doit se situer dans une certaine plage. Trop diluée, la flamme n'atteint pas le grain suivant ; trop dense, l'oxygène manque. Cette plage s'appelle les limites d'explosivité. On utilise aussi un schéma à cinq conditions : poudre combustible, oxygène, source d'ignition, plus « mise en suspension » et « espace confiné ».
Univ.Indicateurs de la violence d'une explosion de poussières
En ingénierie de la combustion et de la sécurité, on compare le danger des poudres par l'énergie minimale d'inflammation, la limite inférieure d'explosivité, la pression maximale d'explosion, etc. La violence d'une explosion s'exprime par l'« indice d'explosivité (valeur Kst) », la vitesse maximale de montée en pression dans un récipient multipliée par la racine cubique de son volume. La relation selon laquelle cette valeur est à peu près constante quelle que soit la taille du récipient s'appelle la « loi cubique », et sert à concevoir les évents de décharge d'explosion des usines. Selon la poudre, ce qui brûle peut être le gaz issu de la décomposition thermique à la surface des grains, ou la surface même des grains.
📖 Démonstration de la formule et approfondissements : Explosion de poussières (Wikipédia en japonais) ／ Limites d'explosivité (Wikipédia en japonais)
RechercheCe qu'on ne comprend pas encore bien
- À partir de quelle finesse le danger cesse-t-il de croître ? Quand les grains sont trop petits, ils s'agglomèrent en paquets, et le danger n'augmente plus indéfiniment. Ce qui se passe avec des poudres de taille nanométrique est encore à l'étude.
- L'effet de la turbulence de l'air. Pour une même poudre, la flamme avance plus vite si l'air est agité. Il est difficile de prévoir avec précision comment la flamme s'accélère dans les écoulements complexes d'une vraie usine.
- La flamme peut-elle dépasser la vitesse du son ? Dans de longues galeries ou canalisations, la flamme peut s'accélérer et passer à une « détonation », accompagnée d'une onde de choc. Ses conditions sont moins bien connues que pour les combustibles gazeux.
Le contenu de cet article n'est donc lui aussi qu'une « explication dans l'état actuel des connaissances ». Mais les mesures « ne pas soulever de poudre près du feu » et « ne pas laisser la poudre s'accumuler » restent valables, quels que soient les résultats de recherche.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences « Combustion (réaction avec l'oxygène) » | Il faut de l'oxygène pour brûler / pourquoi le tas brûle mal |
| Lycée | Chimie « Vitesse de réaction » | Plus la surface est grande, plus la réaction est rapide |
| Lycée+ | Chimie (approfondissement) « Chaleur de combustion, limites d'explosivité » | La chaleur totale est la même, seule la vitesse de dégagement change |
| Univ. | Ingénierie de la combustion, sécurité industrielle | Indice d'explosivité, loi cubique, énergie minimale d'inflammation |
| Recherche | Science des poudres, science de la combustion | Comportement des nanopoudres, accélération de la flamme en turbulence |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Manipuler la poudre en cuisine, nettoyer l'atelier, événements avec de la poudre |
- 粉塵爆発 - Wikipédia en japonais (explosion de poussières)
- 爆発限界 - Wikipédia en japonais (limites d'explosivité)
- Agence japonaise de gestion des incendies et des catastrophes (総務省消防庁)
- National Institute of Occupational Safety and Health, Japan (労働安全衛生総合研究所), « 粉じん爆発・火災の防止に関する技術資料 » (documentation technique sur la prévention des explosions et incendies de poussières, en japonais)
- NFPA 652, Standard on the Fundamentals of Combustible Dust (National Fire Protection Association, États-Unis)
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs données sont des repères et des estimations pour comprendre le mécanisme. En cas d'incendie ou d'accident, suivez les instructions des pompiers et des autorités locales.