Pourquoi les cuisiniers laissent-ils tomber une goutte d'eau dans la poêle pour en vérifier la température ?
― Quand il fait trop chaud, la goutte roule sur un coussin de vapeur
Sur une poêle bien chaude, l'eau ne disparaît pas dans un sifflement. Elle forme une bille ronde qui glisse en tous sens. En fait, plus c'est chaud, plus l'eau a du mal à s'évaporer. La cause : une couche de vapeur invisible sous la goutte.
Un cuisinier met une poêle en inox sur le feu et fait tomber une goutte d'eau du bout des doigts. Au début, elle grésille et disparaît aussitôt.
Il attend un peu, puis en laisse tomber une autre. Cette fois, l'eau forme une bille ronde qui court sur la poêle. Elle ne disparaît pas.
Le cuisinier hoche la tête, « voilà », et met la viande. On croirait que plus c'est chaud, plus l'eau s'évapore vite. Pourquoi la goutte a-t-elle donc duré ?
Deux raisons seulement expliquent pourquoi l'eau dure plus longtemps quand il fait plus chaud
Au contact d'une surface très chaude, seul le dessous de la goutte se transforme d'un coup en vapeur. Avant que cette vapeur ne s'échappe, une nouvelle vapeur se forme, et la goutte flotte sur une fine couche de vapeur.
La vapeur d'eau transmet environ 20 fois moins la chaleur que l'eau liquide. La chaleur atteint difficilement la goutte qui flotte, et son évaporation se ralentit.
Ce phénomène est appelé « effet Leidenfrost », du nom d'un médecin allemand du XVIIIe siècle, Leidenfrost, qui l'a décrit en détail. Les cuisiniers utilisent ce changement d'allure de la goutte comme un thermomètre.
Entre la température où l'eau grésille et celle où elle roule, il y a une « frontière »
Quand la poêle dépasse à peine 100 °C, l'eau s'étale, touche la poêle et bout en formant des bulles par le dessous. La surface de contact est grande, donc la chaleur entre vite dans l'eau. C'est pourquoi elle disparaît en grésillant en quelques secondes.
Mais si on continue à chauffer, tout change soudain à partir d'un certain point. L'évaporation sous l'eau devient si rapide que la couche de vapeur soulève la goutte. Cette frontière se situe, pour l'eau sur du métal, autour de 200 °C. Mais elle varie beaucoup selon les rayures, la saleté ou un film d'huile sur la surface.
Regardez la figure 1. Le graphique de droite montre, à titre indicatif, le lien entre la température de la poêle et le temps que met la goutte à disparaître. Quand on déplace le curseur, l'aspect de la goutte à gauche change aussi.
Pourquoi une couche de vapeur fait-elle durer l'eau ?
La facilité avec laquelle la chaleur passe varie beaucoup selon les matières. L'eau transmet assez bien la chaleur, mais un gaz comme la vapeur d'eau n'en transmet presque pas. Si une doudoune est chaude en hiver, c'est aussi parce que l'air entre les plumes ne laisse pas passer la chaleur.
Entre la goutte qui flotte et la poêle, il y a une couche de vapeur plus fine qu'une feuille de papier. La chaleur doit la traverser pour atteindre l'eau. Aussi, même si la poêle devient encore plus chaude, la chaleur qui entre dans l'eau diminue plutôt.
C'est aussi pour cela que la goutte file comme si elle glissait. Sur un coussin de vapeur, il n'y a rien contre quoi frotter. Comme un palet de hockey sur la glace, elle bouge à la moindre inclinaison ou au moindre jet de vapeur.
Dans une poêle en inox ou en fonte, les aliments attachent moins, dit-on, si on les ajoute une fois la poêle bien chaude. Même sans thermomètre, la goutte qui roule ou non indique si l'on a franchi la « frontière ». Attention : pour les poêles à revêtement, la plupart des fabricants déconseillent de les chauffer fortement à vide. Suivez le mode d'emploi.
Ce test se fait dans une poêle vide, avant d'ajouter l'huile. Quand de l'eau tombe dans de l'huile chaude, elle se change d'un coup en vapeur sous l'huile et projette celle-ci tout autour. N'ajoutez pas d'eau dans une poêle contenant de l'huile.
En résumé
Si la goutte roule sur la poêle chaude, c'est que son dessous s'est changé en vapeur et qu'elle flotte sur cette couche. La vapeur transmet mal la chaleur : malgré la température élevée, l'eau dure. Les cuisiniers prennent le passage de l'état « grésille et disparaît » à l'état « roule » comme repère de température.
Quand il fait trop chaud, l'eau est protégée par sa propre vapeur.
Une goutte qui roule signale : « on a dépassé environ 200 °C ».
Ce qui se passe quand de l'eau tombe dans de l'huile chaude est expliqué dans Pourquoi verser de l'eau sur de l'huile de friture enflammée provoque-t-il une colonne de feu jusqu'au plafond ? ; l'origine du bruit quand on saisit la viande, dans Est-il vrai que saisir la viande à feu vif emprisonne ses jus ?. Pour un autre savoir-faire d'artisan qui lit la chaleur à l'œil, voyez aussi Comment un forgeron connaît-il la température du fer sans thermomètre ?
- Placez sur feu moyen une poêle vide en inox ou en fonte, sans revêtement.
- Toutes les 30 secondes, laissez tomber d'un peu plus haut une ou deux gouttes d'eau du bout des doigts. Au début, elles devraient grésiller et disparaître.
- Au bout d'un moment, l'eau forme une bille ronde qui roule. Comparez le temps que met cette goutte à disparaître avec celui de la première.
La poêle et les gouttelettes projetées sont très chaudes. Ne approchez pas le visage et ne touchez que la poignée. Ne le faites pas dans une poêle contenant de l'huile.
Pour aller plus loin ― termes, formules et lien avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de physique du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Matière universitaire, non vue au lycée (thermique, mécanique des fluides)
- RechercheSujet que les chercheurs étudient encore, pas encore enseigné comme acquis
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Effet Leidenfrost : sur une surface très chaude, un liquide flotte sur sa propre couche de vapeur et dure plus longtemps.
- Ébullition et évaporation : passage d'un liquide à l'état gazeux. Si des bulles se forment dans le liquide, c'est l'ébullition ; si le passage se fait en surface, c'est l'évaporation.
- Conduction thermique : transmission de la chaleur à l'intérieur d'un corps. Les métaux la transmettent bien, les gaz presque pas.
CollègeLycéeVérifier par le calcul : combien de secondes la goutte flottante dure-t-elle ?
Divisez la chaleur nécessaire pour transformer toute la goutte en vapeur par la chaleur qui arrive chaque seconde à travers la couche de vapeur : vous obtenez une estimation de la durée de vie de la goutte.
| En symboles | t ＝ ( m × L ) ÷ ( q × A )、 q ＝ k × ΔT ÷ δ |
| En mots | durée ＝ chaleur nécessaire à l'évaporation ÷ chaleur reçue par seconde. L'intensité de la chaleur reçue = conductivité × écart de température ÷ épaisseur de la couche |
| D'où vient cette formule | De la conservation de l'énergie (toute la chaleur reçue transforme l'eau en vapeur) et de la loi de transmission de la chaleur à travers une couche mince (loi de Fourier) |
| Symbole | Signification et unité |
|---|---|
| t | durée de vie de la goutte (s) |
| m | masse de la goutte (kg) |
| L | chaleur nécessaire pour changer 1 kg d'eau en vapeur, chaleur latente de vaporisation (J/kg) |
| q | chaleur reçue par seconde et par mètre carré (W/m²) |
| A | aire du dessous de la goutte (m²) |
| k | conductivité thermique de la vapeur d'eau (W/(m·K)) |
| ΔT | écart de température entre la poêle et la goutte (K) |
| δ | épaisseur de la couche de vapeur (m) |
| Conductivité thermique de la vapeur d'eau (environ) | 0.03 W/(m·K) |
| Écart de température (poêle à 200 ℃, goutte à 100 ℃) | 100 K |
| Épaisseur de la couche de vapeur (supposée de 0.05 mm) | 0.00005 m |
| Masse de la goutte (bille d'environ 6 mm de diamètre) | 0.0001 kg (0.1 g) |
| Chaleur latente de vaporisation de l'eau | 2260000 J/kg |
| Aire du dessous de la goutte (environ) | 0.00002 m² |
| Chaleur reçue en cas de contact et d'ébullition vive (limite supérieure approximative) | 1000000 W/m² |
| Conductivité × écart de température | 0.03 × 100 ＝ 3 |
| Division par l'épaisseur (intensité de la chaleur reçue) | 3 ÷ 0.00005 ＝ 60000 W/m² |
| Multiplication par l'aire (chaleur reçue par seconde) | 60000 × 0.00002 ＝ 1.2 W |
| Chaleur nécessaire à l'évaporation | 0.0001 × 2260000 ＝ 226 J |
| Durée de vie de la goutte flottante | 226 ÷ 1.2 ≒ 188 s |
| Comparaison : chaleur par seconde en cas de contact et d'ébullition | 1000000 × 0.00002 ＝ 20 W |
| Comparaison : durée en cas de contact et d'ébullition | 226 ÷ 20 ≒ 11 s |
On obtient environ 3 minutes pour la goutte flottante, contre environ 10 secondes pour la goutte qui touche et bout. La seule présence de la couche de vapeur multiplie la durée par plus de dix. En réalité, la chaleur entre aussi par les côtés et par le haut, donc la goutte flottante dure moins longtemps. Il arrive pourtant qu'une goutte tienne environ une minute, et la différence avec les quelques secondes du grésillement se voit à l'œil nu.
LycéeLycée+Transmission de la chaleur et équilibre qui fait flotter la goutte
LycéePour changer l'eau en vapeur, il faut, en plus de la chaleur qui élève la température, une grande quantité de chaleur appelée chaleur latente de vaporisation. Transformer 1 g d'eau à 100 ℃ en vapeur demande plus de 5 fois la chaleur qui fait passer ce même gramme de 0 ℃ à 100 ℃. La durée de vie de la goutte dépend donc de la vitesse à laquelle cette chaleur arrive.
Lycée+La goutte flotte parce que son poids est équilibré par la pression créée par la vapeur qui cherche à s'échapper sur les côtés. Si la couche s'amincit, la vapeur s'échappe plus difficilement, la pression monte et repousse la goutte. L'épaisseur de la couche se stabilise donc naturellement à une valeur constante.
Univ.Courbe d'ébullition et point de Leidenfrost
En thermique, on représente le lien entre la température de la surface et l'intensité de la chaleur reçue par une « courbe d'ébullition » (aussi appelée « courbe de Nukiyama », du nom de Shiro Nukiyama qui l'a présentée en 1934). La phase où se forment des bulles est l'ébullition nucléée ; le point où la chaleur reçue est maximale, le flux critique ; la phase où un film de vapeur recouvre la surface, l'ébullition en film. La température où commence l'ébullition en film est le point de Leidenfrost. L'écoulement de la vapeur sous la goutte se traite avec les mêmes idées que la théorie de la lubrification.
📖 Démonstrations des formules et suites : Effet Leidenfrost (Wikipédia) ／ Ébullition (Wikipédia)
RechercheCe qu'on ne sait pas encore bien
- Pourquoi la température de la frontière varie-t-elle autant ? Selon les irrégularités minuscules et la saleté de la surface, le point de Leidenfrost peut bouger de plusieurs dizaines de degrés ou plus. On étudie encore comment le prédire précisément.
- Peut-on déplacer la frontière à volonté en traitant la surface ? Des recherches portent sur des surfaces à motifs fins qui font courir la goutte dans un seul sens, ou qui montent et baissent la frontière.
- Refroidissement dans les réacteurs nucléaires et la sidérurgie. Quand on refroidit un métal chaud avec de l'eau, le film de vapeur gêne le refroidissement. Savoir quand ce film s'effondre est un enjeu de sécurité et de qualité.
Le contenu de cet article n'est donc lui aussi qu'une « explication dans l'état actuel des connaissances ». Dans une goutte d'eau de cuisine se cache un problème encore étudié aujourd'hui.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, domaine 1 : « changements d'état », « transmission de la chaleur » | Ébullition et évaporation, les gaz transmettent mal la chaleur |
| Lycée | Physique de base : « chaleur et énergie » | Chaleur latente, estimation par conservation de l'énergie |
| Lycée+ | Physique : approfondissement sur « la pression des gaz » | Équilibre entre pression de la vapeur et poids de la goutte |
| Univ. | Thermique, mécanique des fluides | Courbe d'ébullition, ébullition nucléée et en film, point de Leidenfrost |
| Recherche | Science des surfaces, transfert de chaleur par ébullition | Dispersion de la température de la frontière, contrôle par traitement de surface |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Repère de préchauffage de la poêle, pourquoi ne pas verser d'eau dans l'huile chaude |
- Wikipédia (en japonais), « Effet Leidenfrost »
- Wikipédia (en japonais), « Ébullition »
- Wikipédia (en japonais), « Chaleur latente de vaporisation »
- Biance, A.-L., Clanet, C., Quéré, D. "Leidenfrost drops", Physics of Fluids 15 (2003)
- Japan Society of Mechanical Engineers (日本機械学会), Données de thermique (伝熱工学資料) (courbe d'ébullition, flux critique)
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur et des estimations pour aider à comprendre le mécanisme. La température de la frontière varie beaucoup selon le matériau de la poêle et l'état de sa surface. Utilisez vos ustensiles de cuisine selon le mode d'emploi de chaque produit.