E12 Chaleur par convection

Topique

La circulation d'un fluide, qu'il s'agisse d'eau ou d'air, autour des aliments fait de la convection le principal mécanisme de transfert de chaleur à leur surface. Lors de la cuisson, cette convection se produit soit par l'ébullition de l'eau autour des aliments (convection naturelle induite par les gradients de densité générés par le chauffage de l'eau), soit par la circulation d'air dans un four à convection (convection forcée générée par un ventilateur externe au fluide). L'intensité accrue de ce fluide environnant rend la convection plus efficace pour transférer la chaleur à la surface des aliments.

La loi de Newton quantifie le flux de chaleur transféré par convection à la surface des aliments à l'aide d'un coefficient de convection. Ce coefficient dépend fortement des propriétés du fluide environnant et du régime d'écoulement. L'eau, avec sa conductivité thermique élevée et son nombre de Prandtl caractéristique d'environ sept, présente des coefficients de convection bien supérieurs à ceux de l'air. Cette différence explique pourquoi la cuisson des aliments dans l'eau est nettement plus rapide que dans un four à convection. Le fait que le fluide environnant soit de l'eau et non de l'air induit un coefficient de convection beaucoup plus élevé, et par conséquent, un transfert de chaleur beaucoup plus rapide vers la surface de l'aliment grâce à la convection.

Ainsi, ce modèle, avec la convection thermique et le coefficient de convection pour lesquels il a été initialement conçu, calcule le même coefficient de convection pour la géométrie et le fluide culinaire considérés à l'aide d'un ensemble de nombres sans dimension : les nombres de Nusselt, de Grashof, de Reynolds et de Prandtl. Ces nombres décrivent universellement la physique du mouvement du fluide et du transfert de chaleur grâce à des corrélations empiriques qui relient le nombre de Nusselt aux nombres de Reynolds et de Prandtl en convection forcée, ou aux nombres de Grashof et de Prandtl en convection naturelle. En convection naturelle, comme dans une casserole d'eau chaude, la différence de densité causée par la différence de température entre le fluide et la surface de l'aliment est à l'origine de l'écoulement du fluide. En convection forcée, comme dans un four à chaleur tournante ou un chalumeau, la vitesse du fluide est la force motrice. Le fluide extérieur détermine le coefficient de convection. Si ce fluide, qu'il soit naturel ou forcé, est agité plus intensément autour des aliments, le coefficient de convection est par conséquent plus élevé, et les aliments cuisent plus rapidement et plus uniformément avant que la chaleur transmise par convection à leur surface ne se propage vers l'intérieur selon la conduction thermique décrite plus en détail par un autre modèle de ce système.

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