E81 Format Alimentaire - Diffusion et Chaleur

Topique

La taille de cet aliment est l'un des facteurs les plus déterminants de son temps de cuisson. Lorsque le chauffage est principalement contrôlé par conduction interne, le temps caractéristique nécessaire à la chaleur pour atteindre son centre augmente approximativement avec le carré de sa dimension caractéristique et inversement avec sa diffusivité thermique, conformément au modèle de conduction thermique déjà établi par un autre modèle de cet ensemble. Doubler la dimension linéaire de cet aliment peut quadrupler approximativement le temps de chauffage caractéristique, à condition que les conditions géométriques et thermiques restent comparables.

Le nombre de Fourier relie le temps écoulé, la diffusivité thermique et le carré de cette dimension caractéristique, fournissant une mesure adimensionnelle de l'étendue de la diffusion thermique au sein de l'aliment. Un faible nombre de Fourier indique que le chauffage affecte encore principalement les régions proches de la surface, tandis que des valeurs plus élevées indiquent que la chaleur a pénétré significativement vers le centre. Les solutions analytiques de la conduction transitoire, y compris celles représentées par des graphiques ou des approximations de Heisler, permettent d'estimer l'évolution de la température interne lorsque les conditions correspondantes sont réunies. À mesure que le temps de cuisson augmente, le nombre de Fourier augmente et le centre se rapproche progressivement de l'équilibre thermique avec son environnement. La profondeur caractéristique de pénétration thermique augmente approximativement avec la racine carrée du produit de la diffusivité thermique et du temps. Cette valeur indique à quelle distance de la surface la perturbation thermique a pénétré de manière significative. Si un morceau est petit par rapport à cette profondeur, la chaleur aura atteint pratiquement tout son intérieur ; s'il est beaucoup plus grand, il peut conserver un centre considérablement plus froid même si sa surface est déjà cuite. L'augmentation du temps de cuisson entraîne une progression de cette profondeur thermique vers l'intérieur.

La diffusion d'un soluté, tel que le sel, au sein de cet aliment est généralement beaucoup plus lente que la diffusion de la chaleur, car son coefficient de diffusion moléculaire dans la matrice alimentaire est généralement beaucoup plus faible que la diffusivité thermique. Par conséquent, lors d'une cuisson ordinaire, la chaleur peut atteindre des régions plus profondes beaucoup plus rapidement que le sel ajouté à la surface. Une marinade ou un salage prolongé pendant plusieurs heures permet cependant une pénétration sensiblement plus importante, selon la diffusion moléculaire décrite par un autre modèle de ce système. Le temps limité disponible rend cette différence entre le transport de chaleur et le transport de soluté encore plus marquée.

Enfin, le nombre de Biot compare la résistance à la conduction au sein de l'aliment à la résistance au transfert de chaleur entre sa surface et l'environnement extérieur. Il augmente avec la dimension caractéristique et le coefficient de convection du milieu environnant, et diminue lorsque la conductivité thermique de l'aliment augmente. Un faible nombre de Biot indique que la résistance externe est relativement importante et que la température interne tend à rester assez uniforme ; un nombre de Biot élevé indique que la résistance interne domine et que des gradients importants apparaissent entre la surface et le centre. Chauffer cet aliment dans un milieu à coefficient de convection plus élevé, comme l'eau en mouvement par rapport à l'air, augmente le nombre de Biot et rend la conduction interne de l'aliment plus limitante lors de la cuisson.

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