L'éclairage domestique par la flamme


Quelques repères historiques


Depuis toujours et par nécessité évidente, l’Homme a cherché à s’affranchir des contraintes imposées par l’obscurité. Après la découverte du feu, il a utilisé pour s’éclairer les flammes dues à la combustion de produits de toutes sortes : bois dans les foyers, graisse animale et paille puis poix autour des torches, huiles animales et végétales dans les lampes à huile, suif des chandelles, cire d’abeille des cierges, stéarine des bougies, gaz de houille avec les becs à gaz, huile éclairante de pétrole avec les lampes à pétrole, acétylène dans les lampes à carbure…

Il a longtemps été tributaire des ressources locales. La nature des combustibles a aussi évolué avec les progrès techniques notamment au cours des deux derniers siècles.

Après les travaux du chimiste Michel Eugène CHEVREUL publiés en 1823 sur les acides gras et la séparation dans les graisses animales des acides stéarique et oléique, le suif est remplacé par la stéarine qui se consume mieux et produit plus de lumière et moins de fumées et odeurs incommodantes.

À la même époque, la production industrielle de gaz par distillation de la houille dans une enceinte close, proposée par l’écossais William MURDOCK, permet le développement de l’éclairage au gaz. Après Londres, le premier éclairage public apparaît à Paris, place du Carrousel puis rue de Rivoli, en Janvier 1819.

Les hommes ont fait preuve de beaucoup d’imagination pour améliorer les appareils d’éclairage. La lampe à huile en particulier a évolué au cours des millénaires de la simple pierre évidée de l’homme préhistorique aux instruments très sophistiqués des derniers siècles (Figures 1 et 2). De la fin du XVIIIe au milieu du XIXe siècle, les modèles se sont succédé au gré des améliorations techniques et inventions astucieuses mises au point par d’ingénieux lampistes et qui concernaient surtout l’alimentation en huile et air et la mèche. Des exemplaires de lampes ARGAND, QUINQUET-LANGE, PROUST, sinombre PHILIPS, « Astrale », CARCEL, à modérateur peuvent être étudiés et admirés dans de nombreux musées ou chez des collectionneurs privés.


Vers 1860, après la découverte aux USA d’importants gisements de pétrole, l’huile lampante – également dénommée pétrole lampant ou kérosène – qui est un distillat de pétrole de très faible viscosité, remplace tous les autres types d’huiles. Ce produit est très apprécié par les fabricants puisqu’il monte de lui-même par capillarité dans les mèches avec comme conséquence la simplification des lampes qui ne sont plus constituées que par un réservoir, une mèche, un bec et une cheminée de verre.

Les lampes à pétrole et même à huile résisteront en France, comme seule source d’éclairage dans de nombreux foyers isolés ou petites communes des campagnes, jusqu’à la fin des années 40 et la généralisation des implantations électriques qui couvriront la plus grande partie du territoire. Elles n’ont pratiquement plus aujourd’hui qu’un rôle décoratif bien qu’elles soient susceptibles de reprendre « du service » en cas de pannes d’électricité (Figure 3).

La préparation du gaz acétylène, connu depuis 1836, s’opère en décomposant par l’eau, à froid, le carbure de calcium ou « carbure ». La mise au point du procédé de fabrication du carbure dans un four à arc électrique, en 1892, par le chimiste français Henri MOISSAN, a permis, au début du XXe siècle, la diffusion de l’éclairage à l’acétylène qui offre, à cette époque, un très grand espoir d’amélioration technique.

Les fabricants vont donc développer de nombreux modèles de lampes à carbure dans lesquelles le gaz inflammable obtenu en faisant couler régulièrement l’eau sur le carbure s’échappe vers l’extérieur par une buse terminée par un brûleur (Figure 4).

Simple d’utilisation et peu onéreux, l’acétylène remplaça petit à petit, pour de nombreuses applications, le gaz de houille, l’huile et le pétrole. On trouvait alors les lampes à acétylène dans les transports, carrières souterraines, mines non grisouteuses, champignonnières, sur les chantiers… Bien que rapidement concurrencé par l’électricité, l’acétylène perdura jusqu’au début de la deuxième moitié du XXe siècle. Il est encore utilisé en spéléologie.


La combustion


La combustion est une réaction d’oxydo-réduction exothermique ou encore l’oxydation d’un combustible par un comburant avec production de chaleur. Elle est déclenchée par une énergie d’activation, de la chaleur en général, produite par exemple par une flamme ou une étincelle. La production de chaleur permet donc à cette réaction chimique de s’auto-entretenir dans la plupart des cas, voire de s’amplifier en une réaction en chaîne.

La combustion ne peut se produire que si les trois éléments, combustible, comburant et énergie d’activation sont réunis, association que l’on représente par le triangle du feu (Figure 5). À l’inverse, la combustion cesse dès qu’un élément du triangle est enlevé. La lutte contre l’incendie consiste donc à priver le feu de l’un d’entre eux.

Tous les combustibles cités précédemment sont des produits organiques c’est-à-dire des composés dont les molécules sont constituées d’atomes de carbone (symbole C), d’hydrogène (H) pour la plupart et, moins fréquemment, d’oxygène (O), d’azote (N)… Bien évidemment, le comburant n’est autre que l’air ou plus précisément, l’un de ses constituants principaux, le dioxygène, la forme la plus répandue dans l’atmosphère sous laquelle on trouve l’élément oxygène et dont chaque molécule qui rassemble deux atomes a pour formule O2. Au cours de la combustion, les molécules plus ou moins complexes des réactifs – que l’on appellera également ici réactants – sont décomposées en molécules plus petites et plus stables via un réarrangement des liaisons entre les atomes. Le déroulement de la réaction à l’échelle atomique est très compliqué mais il est possible de représenter le processus chimique sous la forme d’une réaction globale unique.

Lors d’une combustion complète, la réaction se poursuit jusqu’à la formation de produits qui ne pourront plus être oxydés et ne pourront donc plus réagir avec le comburant.

Si l’on prend l’exemple du gaz acétylène dont chaque molécule est constituée de deux atomes de carbone et deux atomes d’hydrogène – c’est un carbure d’hydrogène de formule chimique C2H2 – le carbone et l’hydrogène s’unissent à l’oxygène pour donner du gaz carbonique ou dioxyde de carbone de formule moléculaire CO2 et de l’eau, H2O, produits plus stables que l’acétylène et le dioxygène. Cette combustion peut donc être écrite sous la forme :

acétylène + dioxygène —> dioxyde de carbone + eau + chaleur.

La destruction d’une molécule d’acétylène doit fournir deux molécules de CO2 et une molécule H2O, ce qui nécessite cinq atomes d’oxygène ou plus précisément deux molécules et demi du gaz dioxygène O2. D’où, l’équation-bilan qui représente la combustion complète :

C2H2 + 5/2 O2 —> 2 CO2 + H2O + Q, qu’il est préférable d’écrire :

2 C2H2 + 5 O2 —> 4 CO2 + 2 H2O + 2 Q,

Q représentant la chaleur libérée. Les atomes ne sont plus dans la même molécule avant et après la réaction mais le bilan atomique est équilibré conformément au principe de conservation de la matière. On voit enfin, qu’il faut 5 molécules de dioxygène pour 2 molécules d’acétylène ou encore à l’échelle macroscopique, 5 volumes d’oxygène pour 2 volumes de gaz combustible, puisque des nombres égaux de molécules occupent sensiblement des volumes égaux dans les mêmes conditions de température et de pression.


Pourquoi une flamme est-elle éclairante ?


L’acétylène brûle avec flamme. Notons qu’il en est de même avec les autres combustibles gazeux tels que le gaz de houille, le gaz propane… mais aussi les liquides combustibles comme les huiles animales et végétales, le pétrole lampant… parce que la chaleur produite vaporise le liquide. Il peut également y avoir une flamme avec un solide si l’élévation de température est suffisante pour que le corps qui brûle se vaporise.

Une flamme est constituée par une masse gazeuse très chaude dans laquelle ont lieu les réactions d’oxydo-réduction et qui émet une lumière plus ou moins vive. Sa structure dépend du dispositif utilisé et des conditions locales.

On distingue principalement deux types de flammes :