La physique dans la cuisine

1.Les Changements d’état

1.1  Les différents états de la matière

La matière peut exister sous 3 états : solide, liquide et gazeux 

1.2 Les changements d’état


Sur le diagramme ci-dessus, placer les mots suivants : liquéfaction, fusion, condensation, vaporisation, sublimation, solidification.



Remarque  1 : Ce vocabulaire ne correspond pas toujours à celui de la vie courante…. On parle fréquemment de la condensation de la vapeur d’eau sur une vitre froide par exemple (passage de vapeurd'eau-gaz- à liquide!) , alors qu’en physique la condensation correspond au phénomène de givre (passage de vapeur -d'eau contenue dans l'air- à glace)....

Remarque 2 : Évaporation et ébullition sont toutes les deux des vaporisations.
Évaporation: passage de l’état liquide à l’état vapeur en surface. L’évaporation s’accélère lorsque l’air est en mouvement ( séchage du linge…)
Ébullition: Production de vapeur dans la masse d’un liquide (bulles).

1.3 Changements d’état et énergie

Expérience_1 professeur : entourer le réservoir d’un thermomètre avec du coton. Relever la température.
Tremper le coton d’alcool,  suspendre le thermomètre verticalement et observer l’évolution de la température.
 
Observations :
Température initiale : 25°C
Température finale : 15°C
 
Interprétation :
L’alcool passe de l’état liquide à l’état vapeur : c’est une vaporisation. (Il n’y a pas d’ébullition, c’est donc une évaporation).
Pour s’évaporer, l’alcool a besoin d’énergie qu’il va prélever dans son environnement direct c'est-à-dire au niveau du thermomètre. Le thermomètre perd donc de l’énergie, donc sa température diminue.

Conclusion :
Grâce à une évaporation, on peut « créer » localement du froid : on parle du caractère "cryogénique" ( = qui produit du froid ) de ce changement d’état.

Application : le rafraîchissement des boissons.

Dans la rubrique trucs et astuces d’un magazine : « Pour maintenir sa boisson au frais par une chaude journée d’été : l’envelopper de papier journal mouillé. » Justifier cette méthode.

Lorsque l’eau contenue dans le papier journal va s’évaporer, elle va absorber l’énergie (sous forme thermique) contenue dans la bouteille de boisson. 
La température de la bouteille  va donc diminuer et la boisson sera fraîche.


1.4  Changement d’état et température

Un tube à essais contenant de l’eau distillée ( = eau PURE ) est refroidi.
Tout en maintenant une agitation constante, le contenu du tube est observé et la température est relevée toutes les minutes.


 
Observations:
Tant qu’il n’y pas de cristal de glace , la température est >0°C
Dès qu’il n’y a pas plus d’eau liquide, la température peut descendre en dessous de 0°C.
Quand il y mélange eau liquide + glace (c'est à dire quand il y a changement d'état) la température reste constante ( 0°C)
 
De façon générale, lors d’un changement d’état d’un corps PUR, la température reste constante.
Cette température est la même pour les 2 changements d’états inverses.

(ex : fusion et solidification)
 

1.5  Mélange réfrigérant

Expérience_2 élèves: 
Dans 2 béchers identiques, on place de l'eau et  un glaçon.
Dans le bécher 2, on introduit 2 cuillères de sel.
 
Observations
Température de la glace fondante : 0°C
Température du mélange glace fondante + sel : -6°C

Conclusion : L'eau mélangée à du sel se solidifie à une température bien inférieure à 0°C.

Utilisation :  Salage des routes l'hiver ( la chaussée n'est pas gelé même à une tempréture < 0°C )
 

1.6 Mise en évidence de la sublimation

Expérience_3 professeur :
Dans une coupelle, placer de l’acide benzoïque solide. Y planter, un objet bien ramifié.
Poser la coupelle sur une plaque chauffante (chauffage doux ) et recouvrir d’un bécher.

 
Observations :
Au bout de quelques minutes, de fines aiguilles blanches se déposent sur l’objet. 
Aucun liquide ne se forme dans la coupelle.
 
Interprétation :
L’énergie thermique ( chaleur) apportée par la plaque chauffante entraîne une élévation de température et permet à l’acide benzoïque de se sublimer (il n’y a pas passage par l’état liquide).
Au contact de l’objet froid, l’acide benzoïque se condense sous forme de fines aiguilles blanches.
 
 

2. Cuisine et pression

2.1 Influence de la pression sur la température d’ébullition

  Expérience_4 professeur: 
Placer de l’eau chaude ( température =      )  dans une fiole à vide bouchée. Relier à une trompe à eau ( qui permet de faire le vide).
 
Observations : L’eau se met à bouillir
 
Interprétation :

Qu’appelle-t-on pression atmosphérique normale ?

C’est la pression moyenne de l’air au niveau de la mer, elle vaut 1013 hPa.

Quelle est la température d’ébullition de l’eau à la pression atmosphérique normale?

À la pression atmosphérique normale, la température d’ébullition de l’eau pure est de 100°C.

Quel est le rôle de la trompe à eau?

La trompe à eau aspire une partie de l’air contenue dans la fiole ; la pression diminue.

Que peut-on dire de la température d’ébullition de l’eau à basse pression?

A basse pression, l'eau bout à une température inférieure à 100°.


La température d’ébullition de l’eau varie avec la pression de l’air.
La température d’ébullition diminue lorsque la pression diminue.
(Température d’ébullition de l’eau est de 90°C pour une pression de 700hPa, soit une altitude de 2100m.)
 
Généralisation :
Chacun des six changements d’état d’un corps pur se produit à température constante lorsque la pression est constante.
Les températures de changement d’état (sous une pression donnée) sont caractéristiques d’un corps pur.
 

2.2  Applications :

1) La cuisine en altitude :

Lors de l’ascension du Mont-Blanc (4807 m), un alpiniste passe une nuit au refuge des Grands Mulets à 3057 m d’altitude. Le gardien du refuge propose, entre autres, des pâtes pour le dîner. Notre alpiniste en trouve la préparation bien longue. Justifier.

En altitude, la pression de l’air est inférieure à la pression atmosphérique normale, la température d’ébullition de l’eau sera donc inférieure à 100°C, les pâtes mettront plus de temps à cuire. 

2)    Rôle de l’autocuiseur :

La cuisson de pommes de terre en "robe des champs", qui prendrait environ 40 minutes dans une marmite normale, ne prend que 12 minutes dans une cocotte minute. Justifier.

Dans une cocotte minute, la pression est supérieure à la pression atmosphérique normale, donc la température d’ébullition de l’eau sera supérieure à 100°C, ce qui permet aux aliments de cuire plus rapidement.
        (Dans une cocotte minute P = 1550 hPa et Téb = 112°C.)

 

3. Cuisine et froid 

3.1   Conservation par le froid

La réfrigération assure la conservation des aliments. Les produits périssables doivent être conservés entre 0 °C et environ 8 °C. Ces températures doivent être respectées tout au long de la vie du produit, de sa fabrication à sa consommation : c’est ce qu’on appelle la «chaîne du froid».
Dans un réfrigérateur la température est rarement uniforme : la zone la plus froide est selon le modèle située soit en bas, soit en haut. Il faut donc consulter sur les emballages la température à laquelle les denrées réfrigérées doivent être conservées et ranger les produits à la bonne place.
Le froid ralentit la prolifération des bactéries et des microbes responsables de la dégradation des aliments, mais il ne les tue pas. La conservation des aliments dans un réfrigérateur est donc limitée dans le temps et la température doit être adaptée à l’aliment .
Pour une conservation à long terme , il faut faire appel à des températures beaucoup plus basses et à des procédés tels que la congélation ou la surgélation.
La congélation consiste à abaisser puis à maintenir la température au cœur des aliments à – 18 °C. A cette température, environ 86 % de l’eau contenue dans l’aliment a pris en glace et, dans ces conditions, la prolifération des microbes est stoppée, mais il ne sont toujours pas détruits. En revanche, les enzymes, dont l’action dégrade les aliments, restent actives à l’état de congélation, bien que leur activité soit fortement réduite. C’est pourquoi les légumes frais sont d’abord blanchis ou chauffés avant d’être congelés, afin d’inactiver ces substances et d’éviter la dégradation du goût.
La surgélation n’est autre qu’une congélation très rapide, on l’obtient par un refroidissement brusque pouvant aller jusqu’à – 40 °C puis par le maintien d’une température au cœur des aliments de –18 °C. 
Les aliments congelés présentent les mêmes propriétés nutritionnelles et organoleptiques que les produits frais. La congélation entraîne toutefois quelques altérations physiques, la dilatation de l’eau (formation de cristaux de glace) provoquant un éclatement des structures cellulaires. Si le processus de congélation est rapide, les cristaux de glace sont plus petits et provoquent moins d’altérations.
Ces deux procédés, utilisant des matières premières en parfait état de fraîcheur, ont l’avantage de respecter les qualités organoleptiques et nutritionnelles des produits.
Mais il faut savoir que l’activité microbienne redémarre immédiatement dès que l’aliment sort du congélateur et retrouve une température positive. Les bactéries se développent alors très rapidement. La moindre élévation de température au cours des procédés d’élaboration ou du transport met donc en péril toute la procédure.
Pour respecter la chaîne du froid, le consommateur doit donc appliquer certaines règles qui bien souvent font appel au bon sens :
La congélation est utilisée pour une grande variété d’aliments, y compris les produits de boulangerie, les soupes et les repas précuisinés...
Du fait du coût élevé de la technique de congélation, les aliments congelés sont plus chers que les conserves, mais leurs qualités organoleptiques sont bien meilleures.
 

Pourquoi est-ce que la réfrigération est un procédé de conservation à court terme ?

Le froid ralentit la prolifération des microorganismes mais ne les tue pas, donc ils continuent à proliférer lentement et dégradent les aliments. 

Pourquoi conseille-t-on de décongeler un aliment au réfrigérateur ?

La congélation ne détruit pas les bactéries et les microbes, donc si on décongèle à température ambiante, les microorganisme vont se développer très rapidement alors qu’au réfrigérateur, ils se développent lentement. 

Pourquoi ne faut-il jamais recongeler des aliments après les avoir décongelé ? (Sauf si on les cuit)

Lors d’une décongélation, les bactéries se développent très rapidement.
Si on recongèle cet aliment, on va stopper le développement des bactéries formées.
Lorsqu’on décongèlera de nouveau cet aliment, les bactéries plus nombreuses, vont, là encore, se développer rapidement et la quantité de bactéries sera très importante. 

Pourquoi peut-on dire que le froid n’est pas un moyen de stérilisation ?

Le froid n’est pas un moyen de stérilisation car il ne détruit ni les bactéries, ni les microbes.

 A quel(s) moment(s) le risque de non respect de la chaîne du froid est-il majeur ?

Lors du transport que se soit pour arriver dans les magasins ou à notre domicile.

3.2   Lyophilisation

 
La lyophilisation est une technique de conservation consistant en une déshydratation des aliments par le froid.
Cette technique a été inventée par les Français A. d’Arsonval et F. Bordas en 1906. Le but de l’opération est d’enrayer le développement des microbes en retirant l’eau qui favorise leur prolifération et ainsi obtenir des produits stables à température ambiante.
La lyophilisation est basée sur le principe physique de sublimation, elle se déroule en quatre étapes :
La lyophilisation est un procédé de conservation qui présente de nombreux avantages. Elle permet de conserver une grande partie des qualités organoleptiques des aliments, le goût reste par exemple très proche de celui des produits frais. Elle maintient aussi la qualité nutritionnelle des aliments : pour les protéines les pertes sont inférieures à 5 % et pour la vitamine C elles sont de l’ordre de 10 %. De par la perte d’eau qu’ils subissent, les aliments sont jusqu’à 10 fois plus légers après lyophilisation qu’avant, ce qui facilite grandement leur transport et leur entreposage, et ils ne nécessitent pas de réfrigération pour leur conservation
La plupart des aliments lyophilisés se réhydratent très rapidement grâce à leur texture poreuse. En effet, la lyophilisation n’entraîne pas de diminution de volume appréciable. L’eau peut donc reprendre sa place facilement dans la structure moléculaire de l’aliment
 
La lyophilisation a tout de même quelques inconvénients. Les produits obtenus ont perdu leur couleur, ils sont très friables et très sensibles à l’oxydation, sans parler de leur coût élevé.
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 A quel changement d’état correspond la sublimation ?

Passage de l’état solide à l’état gazeux.

Qu'est ce qui est enlevé aux aliments lors de ce procédé ? Pourquoi ?

On retire l'eau ; cela évite la prolifération des microbes

Donner des exemples d’aliments lyophilisés.

Café, lait, légumes, poissons, plats cuisinés…

Enoncer les raisons qui peuvent conduire à l’utilisation d’aliments lyophilisés plutôt qu’à l’état frais. Citer des exemples d’utilisateurs.

Conserver une produit qui peut être fragile (thermosensible). Conserver un produit sans réfrigérateur.
Gain de poids et de volume
Utilisateurs : Marins, astronautes…

Pourquoi les propriétés organoleptiques des aliments lyophilisés après réhydratation diffèrent-elles, à des degrés divers suivant la nature de l’aliment, de celles des aliments à l’état frais ?

Les composés aromatiques sont éliminés avec l’eau car ils sont très volatils.