E13 Rayonnement thermique

Topique

Le rayonnement thermique transfère la chaleur par ondes électromagnétiques infrarouges, sans nécessiter, contrairement à la conduction et à la convection (qui décrivent deux modèles distincts de ce système), de milieu matériel pour sa propagation. En cuisine, ce rayonnement thermique agit à l'intérieur d'un four, sur un gril, sous un gril de cuisine ou dans un grille-pain, et devient le principal mécanisme de transfert de chaleur précisément lorsque les aliments ne sont pas en contact direct avec une surface chaude ni entourés d'un liquide en circulation. Dès que les aliments sont retirés de tout contact direct ou de tout liquide en circulation, le rayonnement thermique devient alors prédominant par rapport à la conduction et à la convection comme mécanisme de transfert de chaleur vers les aliments.

Selon la loi de Stefan-Boltzmann, tout corps à une température absolue supérieure à zéro émet un rayonnement thermique proportionnel à la puissance quatrième de cette même température absolue. L'émissivité de la surface du corps, proche de neuf dixièmes pour la plupart des aliments humides, quantifie la quantité de rayonnement thermique réellement émise par cette surface par rapport à celle qu'émettrait un corps noir idéal à la même température absolue. La surface dorée ou grasse de cet aliment peut présenter une émissivité légèrement inférieure à celle de la même surface humide. Comme la température absolue de cet aliment est plus élevée, le rayonnement thermique émis par sa surface est par conséquent beaucoup plus important, conformément à la loi de Stefan-Boltzmann, puisque ce rayonnement thermique dépend de la quatrième puissance de la température absolue et non de la température absolue elle-même.

Le flux net de ce rayonnement thermique entre l'élément chauffant et la surface de l'aliment est proportionnel à la différence entre la quatrième puissance de la température absolue de cet élément chauffant et la quatrième puissance de la température absolue de la surface de l'aliment. Ainsi, une faible augmentation de la température absolue de l'élément chauffant engendre une augmentation beaucoup plus importante de ce flux net de rayonnement thermique que ne le laisserait supposer une simple proportionnalité. Cette dépendance à la quatrième puissance de la température absolue explique le choc thermique ressenti à l'approche d'un gril chaud. Si la température absolue de l'élément chauffant augmente encore, ce flux net de rayonnement thermique vers la surface de l'aliment, conformément à cette même dépendance à la quatrième puissance, augmente de façon disproportionnée.

Par conséquent, ce modèle, dont le rayonnement thermique et le flux net dépendent de la puissance quatrième de son ouverture, conduit la loi de Wien à indiquer qu'un élément chauffant, aux températures typiques d'une cuisine, émet un rayonnement thermique principalement dans le proche et le moyen infrarouge. Ce rayonnement est facilement absorbé par l'eau et la surface des aliments, favorisant ainsi la réaction de Maillard et la caramélisation superficielle sans nécessairement cuire l'intérieur. En pratique, un coefficient de rayonnement équivalent permet de considérer ce rayonnement thermique comme une contribution supplémentaire au coefficient de convection établi par un autre modèle de cet ensemble, additionnant les deux contributions au bilan thermique total des aliments. Un coefficient de rayonnement équivalent plus élevé, ajouté au coefficient de convection, se traduit par un bilan thermique total plus élevé pour les aliments.

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