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Un feu se mesure à l'oxygène qu'il consomme
Le méthane dégage 50,03 MJ pour chaque kilogramme brûlé, et le sucre 14,10. Divisez plutôt par l'oxygène que chacun consomme, et ils donnent 12,54 et 13,24. Les laboratoires d'incendie s'appuient sur cette seconde paire : ils mesurent la chaleur dégagée par un canapé en feu à partir de l'oxygène manquant dans sa fumée, sans jamais savoir de quoi le canapé était fait.
Un canapé en feu dégage de la chaleur à un rythme qui détermine en grande partie si la pièce où il se trouve connaîtra un embrasement généralisé éclair, et personne ne peut déterminer ce rythme à partir du seul canapé. La méthode évidente multiplie deux nombres : la quantité de chaleur dégagée par un kilogramme de matière et le nombre de kilogrammes qui brûlent chaque seconde. Pour l'ensemble formé par la mousse, le tissu, le bois et la colle, le premier est inconnu, et lors d'un essai à échelle réelle, le second est difficile à mesurer. Babrauskas et Peacock ont intitulé leur synthèse de 1992 sur cette grandeur « Heat release rate: the single most important variable in fire hazard », et la façon dont on la mesure aujourd'hui ignore presque totalement le canapé.
La fumée monte dans une hotte et s'évacue par un conduit. Des instruments situés dans le conduit mesurent le débit d'écoulement et la quantité d'oxygène qui y manque, et le débit calorifique est cet oxygène manquant multiplié par une constante unique : 13,1 MJ pour chaque kilogramme. La même multiplication est appliquée dans un calorimètre à cône de laboratoire testant un carré de moquette de dix centimètres et sous une hotte recueillant la fumée d'une pièce meublée en feu.
Par kilogramme de combustible, rien ne concorde
L'eau s'échappant sous forme de vapeur, comme elle le fait dans une flamme, le méthane dégage 50,03 MJ pour chaque kilogramme brûlé. L'octane, qui représente ici l'essence, en fournit 44,42 ; une graisse animale typique, 36,48 ; l'éthanol, 26,82 ; le glucose, 14,10. Ces valeurs s'étendent sur un facteur de 3,55, et personne ne pourrait les déduire les unes des autres.
Divisez plutôt chacune par l'oxygène qu'elle consomme. Le méthane donne 12,54 MJ par kilogramme d'oxygène, l'octane 12,69, la graisse 12,69, l'éthanol 12,87, le glucose 13,24. William Thornton a remarqué en 1917 que la chaleur par unité d'oxygène ne variait guère pour un grand nombre de gaz et de liquides organiques. En 1980, Clayton Huggett, au National Bureau of Standards américain, a étendu la comparaison aux combustibles que l'on rencontre dans les incendies et a recommandé 13,1 MJ par kilogramme, ±5 %, pour l'ensemble d'entre eux. Sur les seize combustibles de Heat of Combustion, onze se situent dans cette fourchette.
L'oxygène de la combustion ne peut aboutir qu'à deux endroits
La page comporte deux lignes qui expliquent le reste. Le carbone brûlé en dioxyde de carbone dégage 393,51 kJ pour chaque mole d'oxygène, soit 12,30 MJ par kilogramme. L'hydrogène brûlé en vapeur d'eau produit deux moles d'eau pour chaque mole d'oxygène et libère 483,65 kJ, soit 15,12 MJ par kilogramme. Un combustible composé de carbone, d'hydrogène et d'oxygène qui brûle complètement n'a pas d'autres produits, et les deux valeurs ne diffèrent que de 23 %.
La chaleur est déterminée par ce que devient l'oxygène, et dans une flamme propre, il devient du dioxyde de carbone ou de l'eau.
Un hydrocarbure partage son oxygène entre les deux. Le méthane, CH₄, attribue une mole d'O₂ à son carbone et une à ses quatre hydrogènes, et la moyenne équilibrée entre 12,30 et 15,12 donne 13,71. La molécule elle-même en retient une partie. Le méthane est plus stable d'environ 74,5 kJ par mole que le carbone et l'hydrogène dont il est constitué ; cette énergie a été libérée lors de la formation de la molécule et ne peut l'être à nouveau, ce qui coûte 1,16 MJ par kilogramme d'oxygène et ramène 13,71 aux 12,54 mesurés. L'octane envoie 64 % de son oxygène au carbone, se combine pour donner 13,31, restitue une énergie de formation valant 4,7 % de ce mélange et aboutit à 12,69.
Le sucre semble devoir déroger à cela, car il contient déjà de l'oxygène. En lisant C₆H₁₂O₆ comme six carbones et six molécules d'eau, il n'en est rien. L'hydrogène arrive déjà brûlé, de sorte qu'il ne reste que le carbone qui brûle, à 393,51 kJ par mole d'oxygène, plus les 7,6 % que le glucose contient de plus qu'un tas de charbon de bois et de vapeur d'eau : 423,50 kJ, soit 13,24 MJ par kilogramme.
La fourchette est donc étroite pour deux raisons sans rapport entre elles. Le carbone et l'hydrogène se trouvent payer un prix similaire pour l'oxygène, et pour chaque hydrocarbure de la page à l'exception de l'acétylène, l'énergie de formation propre de la molécule représente moins d'un dixième de ce que dégagent son carbone et son hydrogène. Il en va de même pour le sucre, dès lors que son oxygène est comptabilisé sous forme d'eau. Aucun de ces deux faits n'a besoin de connaître le nom du combustible, et c'est pourquoi un essai sur mobilier n'a pas besoin de le savoir non plus.
Un cobaye dans un seau de glace
L'idée est plus ancienne que la science du feu. Durant l'hiver 1782–83, Antoine Lavoisier et Pierre-Simon Laplace ont construit un calorimètre qui mesurait la chaleur par la glace qu'il faisait fondre ; ils y ont placé un cobaye à deux reprises, ont ramené chaque essai à dix heures et en ont pris la moyenne : environ 13 onces de glace. À partir d'expériences distinctes menées sur plusieurs cobayes, ils ont évalué sa production d'air fixe, ce que nous appelons dioxyde de carbone, à 224 grains pour ces mêmes dix heures. La combustion du charbon de bois avait fait fondre 26,692 onces de glace pour chaque once d'air fixe produit, de sorte que 224 grains auraient dû correspondre à 10,38 onces. Ils ont retranché environ 2,5 onces des 13 onces du cobaye, pour ses extrémités refroidies et l'humidité que sa chaleur avait évaporée, ont constaté que les deux valeurs concordaient, et ont écrit, dans un mémoire lu à l'Académie des sciences le 18 juin 1783 :
La respiration est donc une combustion, à la vérité fort lente, mais d’ailleurs parfaitement semblable à celle du charbon.
Lavoisier et Laplace, Mémoire sur la chaleur, 1783
« La respiration est donc une combustion, à la vérité fort lente, mais d’ailleurs parfaitement semblable à celle du charbon. » Leur estimation pour le charbon de bois était remarquable : les valeurs modernes donnent 26,81 onces de glace par once de dioxyde de carbone, à 0,4 % de la leur. Le point faible était l'étalon de comparaison. Le charbon de bois est du carbone presque pur, tandis qu'un animal brûle du sucre et des graisses, qui dégagent tous deux davantage de chaleur pour chaque molécule de dioxyde de carbone, pour des raisons différentes. La graisse renferme bien plus d'hydrogène que son propre oxygène ne peut en compenser, et cet hydrogène brûle en formant de l'eau : lors de la combustion des graisses, près de 30 % de l'oxygène finit dans l'eau et ne produit aucun dioxyde de carbone. Le mémoire admet que la respiration puisse modifier l'air autrement qu'en le transformant en air fixe, et juge tout changement de ce type minime. Le sucre ne possède pas d'hydrogène excédentaire, mais la molécule renferme plus d'énergie que le charbon et l'eau. L'eau étant condensée, comme elle l'était dans la glace, le glucose dégage 467,50 kJ pour chaque mole de dioxyde de carbone contre 393,51 pour le charbon, et la graisse 619,72. Rapportés à leur propre valeur de 10,38, les 224 grains du cobaye prédisent 12,33 onces pour le sucre et 16,35 pour la graisse. Les 13 onces qu'ils ont pesées, avant toute déduction, se situent entre les deux.
Votre souffle est une jauge de carburant
À l'hôpital, on effectue le même calcul avec l'oxygène au lieu du dioxyde de carbone, et pour l'oxygène, les combustibles s'accordent à nouveau presque entièrement. L'eau restant liquide, telle qu'elle demeure en vous, le glucose fournit 20,86 kJ pour chaque litre d'oxygène et la graisse 19,45. Un gramme de graisse renferme 2,51 fois l'énergie d'un gramme de sucre, et un litre d'oxygène en retire 6,8 % de moins. Un adulte au repos qui consomme un quart de litre par minute est un radiateur de 86,9 W avec du sucre pur et de 81,0 W avec de la graisse pure, et tout mélange des deux se situe entre les deux.
Ces 6,8 % expliquent pourquoi un chariot métabolique mesure les deux gaz. La combustion du glucose restitue une molécule de dioxyde de carbone pour chaque molécule d'oxygène ; celle de la graisse en restitue 0,70. Le rapport entre les deux gaz révèle quel combustible est brûlé, et donc où se situe le résultat entre 81,0 et 86,9.
Là où la règle est prise en défaut
Un combustible qui possède au départ beaucoup d'énergie propre sort de la fourchette. L'enthalpie de formation de l'acétylène est de +227,4 kJ par mole : de l'énergie apportée lors de la formation de la molécule et restituée lorsqu'elle brûle, en plus de tout ce que fournit l'oxygène. Elle ajoute 22 % à ce que donneraient le carbone et l'hydrogène de l'acétylène, et le porte à 15,70 MJ par kilogramme d'oxygène, soit 19,88 % au-dessus de 13,1. Sans elle, l'acétylène se situerait à 12,86, dans la fourchette aux côtés du méthane et de l'octane.
Le monoxyde de carbone constitue un cas plus singulier, et bien plus important lors d'un incendie. La combustion complète du carbone jusqu'au CO₂ s'opère en deux étapes, dont le rendement est très différent. Le carbone transformé en monoxyde de carbone utilise une demi-mole d'oxygène et dégage 110,53 kJ, soit 6,91 MJ par kilogramme d'oxygène. Le monoxyde de carbone transformé en dioxyde de carbone consomme l'autre moitié et dégage 282,98 kJ, soit 17,69. La moyenne des deux moitiés donne les 12,30 du carbone. Un feu manquant d'air retient une partie de son carbone à la première étape, de sorte que l'oxygène utilisé pour former du monoxyde de carbone n'a produit qu'à peine la moitié de la chaleur supposée par la valeur de 13,1.
La distorsion sur la mesure est moindre que cela ne le laisse supposer, car l'oxygène qui n'a jamais été consommé n'est jamais comptabilisé non plus. Un feu de méthane qui laisse un cinquième de son carbone sous forme de monoxyde de carbone dégage 12,27 MJ par kilogramme de l'oxygène qu'il a effectivement consommé, soit 2,2 % de moins qu'une flamme propre. Les laboratoires mesurent le monoxyde de carbone dans le conduit et corrigent la mesure. Un feu enfumé dégage moins de chaleur et consomme moins d'oxygène, le second phénomène compensant presque le premier.