E14 Changement de phase - Évaporation et condensation

Topique

Le changement d'état entre l'eau et la vapeur d'eau consomme, lors de l'évaporation, ou libère, lors de la condensation, une grande quantité d'énergie sans que la température de l'eau ou de la vapeur ne varie. En cuisine, cette évaporation se produit à la surface d'un rôti, d'un sauté ou d'aliments séchant au four, tandis que la condensation se produit sur le couvercle froid d'une casserole ou à l'intérieur d'un plat cuit à la vapeur. Cette évaporation requiert, pour être complète, beaucoup plus de chaleur latente que la chaleur sensible nécessaire pour élever la température de la même eau d'une valeur comparable sans changement d'état. Cette forte demande en chaleur latente explique pourquoi la surface des aliments peut rester proche de son point d'ébullition tandis que l'intérieur reste froid : la vapeur qui se forme à la surface agit comme un régulateur thermique, absorbant cette chaleur latente et empêchant ainsi la température de surface de s'élever davantage. Plus la chaleur latente consommée par l'évaporation est importante, plus la surface des aliments restera longtemps proche de son point d'ébullition avant que l'intérieur ne soit complètement réchauffé.

La vitesse d'évaporation dépend du gradient de densité de vapeur entre la surface saturée de l'aliment et l'environnement plus sec. Un environnement sec ou bien ventilé accentue ce gradient et accélère l'évaporation, ce qui donne une croûte plus croustillante. À l'inverse, un four sans ventilation retient l'humidité libérée par l'évaporation, réduisant le gradient de densité et produisant une texture plus molle au lieu d'une croûte croustillante. Un environnement plus sec ou mieux ventilé accentue ce gradient de densité, accélérant ainsi l'évaporation.

Un environnement plus sec ou mieux ventilé engendre un gradient de densité de vapeur plus important et, par conséquent, une évaporation plus rapide. Par conséquent, ce modèle, avec cette évaporation et ce gradient de densité de vapeur qui lui ont été attribués, montre, grâce à l'équation de Clausius-Clapeyron, que la pression de vapeur saturante de cette eau augmente très fortement, et de façon bien plus que proportionnelle, avec sa température. Dans un autocuiseur, la pression élevée exercée sur l'eau fait monter son point d'ébullition au-dessus de celui qu'il aurait à pression atmosphérique normale, accélérant ainsi la cuisson des aliments. À l'inverse, en altitude, la pression atmosphérique étant plus faible, le point d'ébullition de l'eau descend en dessous de celui à pression atmosphérique normale, ralentissant la cuisson. La pression plus élevée sur l'eau implique, d'après l'équation de Clausius-Clapeyron, un point d'ébullition plus élevé, et donc une cuisson plus rapide des aliments.

Enfin, ce modèle confirme, grâce au nombre de Lewis du couple eau-air, très proche de l'unité, une analogie directe entre ce transfert de chaleur et le transfert de masse de cette même vapeur d'eau. Cette même proximité de l'unité du nombre de Lewis nous permet d'estimer le coefficient de transfert de masse de cette vapeur d'eau directement à partir du coefficient de convection déjà établi pour ce même transfert de chaleur par un autre modèle de cet ensemble, sans nécessiter de mesure indépendante de ce transfert de masse. Le fait que ce coefficient de convection soit plus élevé pour cet aliment signifie, selon cette même analogie entre chaleur et masse, que le coefficient de transfert de masse de cette vapeur d'eau est également plus élevé, et par conséquent, que l'évaporation à la surface de cet aliment est plus rapide.

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