Pourquoi le pop-corn éclate-t-il ?
― Chaque grain est une minuscule cocotte-minute
Un grain jaune et dur se transforme soudain, « pop ! », en une boule blanche et légère. Pas de poudre explosive là-dedans. Ce qui le fait éclater, c'est un peu d'eau cachée à l'intérieur. Quand cette eau chauffe, prisonnière de l'enveloppe dure, la pression dans le grain atteint environ quatre fois celle d'un pneu de voiture.
Vous mettez des grains de pop-corn et de l'huile dans une poêle, vous posez le couvercle et vous chauffez. Pendant un moment, il ne se passe rien.
Quelques minutes plus tard, un grain fait « pop ». Puis pop, pop, pop-pop-pop… Tout s'emballe, et le couvercle est soulevé par la masse qui gonfle.
Si un enfant vous demande « pourquoi ça éclate ? », que répondez-vous ? « Parce que c'est chaud » ne suffit pas : un épi de maïs grillé a beau cuire longtemps, ses grains n'éclatent jamais.
Deux raisons seulement
Même sec en apparence, le grain contient environ 14 % d'eau en poids. Chauffée, cette eau veut se transformer en vapeur et pousse fort vers l'extérieur.
Les grains à pop-corn ont une enveloppe dure, presque sans interstices. La vapeur, sans issue, fait monter la pression jusqu'à ce que l'enveloppe cède.
Chaque grain est donc une « minuscule cocotte-minute » fermée. À une différence près : il n'a pas de soupape de sécurité. Il ne lui reste qu'à éclater.
Quelle pression règne dans le grain ?
Dans une casserole sans couvercle, l'eau bout à 100 °C et la vapeur s'échappe. Mais quand l'eau est enfermée, la vapeur ne peut pas partir : plus la température monte, plus sa force de poussée (la pression) augmente.
Regardez la figure 1. L'axe horizontal donne la température de chauffe, l'axe vertical la pression dans le grain. À 100 °C, on a 1 atmosphère, comme l'air ambiant. Puis la courbe se redresse de plus en plus vers le haut à droite. Vers 180 °C, on atteint autour de 10 atmosphères, et l'enveloppe ne tient plus, dit-on.
L'important, c'est que cette courbe n'est pas une droite. De 100 °C à 140 °C, soit 40 °C, la pression n'augmente que d'environ 2,5 atmosphères. Mais de 140 °C à 180 °C, toujours 40 °C, elle gagne plus de 6 atmosphères. Plus il fait chaud, plus un petit chauffage fait grimper la pression. C'est pour cela que tout reste calme les premières minutes, puis que les grains se mettent à éclater d'un coup.
Pourquoi le maïs ordinaire n'éclate-t-il pas ?
Le maïs grillé ou celui du potage contient aussi de l'eau. Ce qui manque, c'est le « couvercle » qui retient la vapeur.
Regardez la figure 2. À gauche, le grain à pop-corn (maïs éclatant) a une enveloppe épaisse, presque sans interstices. À droite, l'enveloppe du maïs ordinaire laisse, dit-on, fuir la vapeur quand elle chauffe. Si la vapeur s'échappe peu à peu, la pression ne monte pas. Le grain brunit ou se ride, rien de plus.
Le blanc et léger, c'est une « mousse » figée en un instant
L'intérieur du grain est presque entièrement de l'amidon. Exposé à la vapeur chaude, l'amidon devient mou, comme de la colle. Puis l'enveloppe se déchire, et la vapeur à 10 atmosphères est libérée d'un coup vers l'air à 1 atmosphère.
La vapeur se dilate d'un seul coup et gonfle de l'intérieur l'amidon collant comme une mousse. Le volume devient, dit-on, plusieurs dizaines de fois celui du grain. La mousse, refroidie par l'air et séchée, se fige vite en un bloc blanc et croustillant. Le blanc du pop-corn est un amas de fines bulles d'amidon.
En 2015, des chercheurs français ont étudié le pop-corn avec une caméra rapide et des enregistrements. Selon leur rapport, le « pop » ne serait pas produit à l'instant où l'enveloppe casse, mais quand la vapeur jaillit de l'intérieur. Le grain saute, dit-on, parce que l'amidon expulsé agit comme une « patte » qui pousse contre la casserole.
Les grains à pop-corn gonflent le mieux, dit-on, avec 13 à 14 % d'eau. Laissés à l'air dans un sac ouvert, ils sèchent, la pression manque et les grains non éclatés se multiplient. Pour les conserver, le mieux est une boîte hermétique.
En résumé
Le pop-corn éclate parce que l'eau du grain devient vapeur et reste piégée sous l'enveloppe dure. La pression de cette vapeur enfermée monte vite avec la température, atteint environ 10 atmosphères vers 180 °C et déchire l'enveloppe. La vapeur libérée gonfle l'amidon ramolli, qui se fige tel quel : c'est le blanc léger que l'on connaît.
Ce qui fait éclater le grain, ce n'est pas la chaleur, c'est l'eau.
Grâce au « couvercle » de l'enveloppe, l'eau devient une force explosive.
L'histoire du point d'ébullition qui change quand on enferme l'eau est l'exact inverse de Pourquoi le riz cuit mal au sommet du mont Fuji ? (en altitude, la pression est basse, et l'eau bout à moins de 100 °C). Pour d'autres cas où la chaleur transforme les aliments, lisez aussi Pourquoi l'œuf cru durcit-il à la cuisson ? et Pourquoi le pain gonfle-t-il ?
Les êtres vivants aussi savent changer de l'eau enfermée en vapeur d'un coup. Pourquoi le coléoptère bombardier peut-il projeter un gaz brûlant par l'arrière ? présente un insecte qui fait bouillir un liquide grâce à la chaleur d'une réaction chimique pour se défendre.
- Préparez deux séries de 10 grains à pop-corn. Dans une seule série, percez l'enveloppe de chaque grain d'un petit trou avec une aiguille.
- Chauffez les deux séries séparément, de la même façon, dans une poêle couverte, et comparez le nombre de grains éclatés. Les grains percés, qui laissent fuir la vapeur, devraient éclater plus difficilement.
- Ouvrez quelques grains non éclatés. Observez si l'enveloppe est abîmée et si l'intérieur est trop sec.
Pendant la cuisson, n'ouvrez pas le couvercle et n'approchez pas le visage : des grains et de l'huile peuvent être projetés. Si vous utilisez un four à micro-ondes, prenez un récipient ou un produit prévu pour le pop-corn.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, 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-chimie du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Matière universitaire, non vue au lycée (thermodynamique, physique des aliments)
- RechercheQuestions encore étudiées par les chercheurs, non établies même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Maïs éclatant : groupe de variétés de maïs pour pop-corn. L'enveloppe (péricarpe) est dure et le grain éclate à la chaleur.
- Pression de vapeur (pression de vapeur saturante) : pression de la vapeur lorsque l'eau et la vapeur sont en équilibre dans un récipient fermé. Elle augmente de plus en plus vite avec la température.
- Gélatinisation de l'amidon (en japonais « koka ») : l'amidon se défait sous l'effet de l'eau et de la chaleur et devient mou, comme de la colle. Le riz cuit grâce au même changement.
CollègeLycéeVérifier par la formule : quelle pression dans le grain à 180 °C ?
On estime la force de poussée de la vapeur de l'eau enfermée (la pression de vapeur) à partir de la température. En partant de 1 atmosphère à 100 °C, on calcule la pression à 180 °C.
| En symboles | P2 ＝ P1 × e puissance (L ÷ R) × (1/T1 − 1/T2) |
| En mots | pression à haute température ＝ pression à 100 °C × e puissance « (chaleur de vaporisation de l'eau ÷ constante des gaz) × (différence des inverses des deux températures absolues) » |
| D'où vient-elle ? | C'est la formule de Clausius-Clapeyron, issue de la condition d'équilibre entre l'eau et la vapeur (équilibre de phases). Plus la chaleur nécessaire pour vaporiser est grande, plus la pression varie vite avec la température. |
| Symbole L ÷ R (chaleur de vaporisation de l'eau divisée par la constante des gaz) | environ 4900 K |
| Symboles T1 et P1 (point d'ébullition ordinaire et pression correspondante) | 1 atmosphère à 373 K (100 °C) |
| Symbole T2 (température d'éclatement du pop-corn) | environ 453 K (180 °C) |
| Écart entre les deux températures | 453 − 373 ＝ 80 |
| Produit des deux températures | 373 × 453 ＝ 168969 |
| Différence des inverses (1/T1 − 1/T2) | 80 ÷ 168969 ≒ 0.000473 |
| Valeur de l'exposant | 4900 × 0.000473 ≒ 2.32 |
| e puissance 2.32 | environ 10.2 |
| Pression dans le grain à 180 °C | 1 × 10.2 ＝ 10.2 atm |
| Pression d'air d'un pneu de voiture | environ 2.5 atm |
| Combien de fois la pression du pneu ? | 10.2 ÷ 2.5 ≒ 4.1 |
Le grain éclate donc quand la pression y atteint environ quatre fois celle d'un pneu de voiture. Des expériences estiment la pression juste avant l'éclatement à environ 9 atmosphères, ce qui concorde à peu près avec ce calcul approximatif. Une mince enveloppe résiste à cette pression jusqu'au dernier instant.
LycéeLycée+Le point d'ébullition dépend de la pression ambiante
LycéeL'eau bout à la température où sa pression de vapeur égale la pression ambiante. À 1 atmosphère, c'est 100 °C. Inversement, si la pression extérieure est plus haute, le point d'ébullition monte. L'eau sous l'enveloppe ne peut pas sortir : elle ne peut pas bouillir et continue de chauffer. C'est le même principe que celui d'une cocotte-minute domestique, qui cuit vers 120 °C.
Lycée+À l'instant où l'enveloppe se déchire, la pression ambiante chute brutalement de 10 à 1 atmosphère. Pour de l'eau à 180 °C, le point d'ébullition à 1 atmosphère (100 °C) est très inférieur : l'eau se met à bouillir d'un coup. Cette ébullition soudaine est la force qui transforme l'amidon en mousse de l'intérieur.
Univ.Équilibre de phases et solidification de la mousse d'amidon
La formule ci-dessus est celle de Clausius-Clapeyron, déduite de la condition d'équilibre de phases en thermodynamique (égalité des énergies de Gibbs). Nous avons supposé la chaleur de vaporisation constante, alors qu'en réalité elle diminue un peu à haute température : la valeur calculée est donc légèrement supérieure à la pression de vapeur mesurée. Après sa gélatinisation, l'amidon qui se refroidit et perd son eau passe de l'état mou à un état dur, vitreux (transition vitreuse). On pense que le croustillant du pop-corn naît du passage des parois des bulles à cet état.
📖 Démonstration de la formule et approfondissements : Relation de Clausius-Clapeyron (Wikipédia, en japonais) ／ Amidon et gélatinisation (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qu'on ne sait pas encore bien
- Pourquoi certains grains restent-ils non éclatés ? Plusieurs hypothèses existent : petites fissures de l'enveloppe, manque d'eau, différences d'orientation des fibres de l'enveloppe. Le poids de chacune varie selon la variété et les conditions de conservation, et la question n'est pas tranchée.
- Le détail du bruit et du saut. L'étude de 2015 en imagerie rapide a rapporté que le bruit vient du jet de vapeur et le saut de la « patte » d'amidon. Mais elle n'explique pas les écarts d'un grain à l'autre.
- Pourquoi la teneur en eau optimale est-elle d'environ 14 % ? Qu'un manque d'eau fasse manquer de pression se comprend aisément. Pourquoi trop d'eau gonfle moins bien est attribué à un compromis entre la souplesse de l'amidon et la solidité de l'enveloppe, mais ce n'est pas clairement établi.
Le contenu de cet article est donc, lui aussi, « l'explication dans l'état actuel des connaissances ». Même un simple grain de friandise offre encore de la place à la recherche.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : changements d'état (l'eau qui devient vapeur occupe plus de volume) | L'eau du grain devient vapeur et se dilate |
| Lycée | Chimie : pression de vapeur et point d'ébullition | La courbe de la figure 1 ; le point d'ébullition fixé par la pression ambiante |
| Lycée+ | Chimie : diagramme de phases et idée d'élévation du point d'ébullition | L'ébullition soudaine quand l'enveloppe se déchire |
| Univ. | Thermodynamique (équilibre de phases) · physique des aliments (gélatinisation de l'amidon et transition vitreuse) | La formule de Clausius-Clapeyron ; la solidification de la mousse |
| Recherche | Génie alimentaire · mécanique des fluides | Les grains non éclatés ; l'étude du bruit et du saut |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Cocotte-minute ; conservation des grains (en boîte fermée, sans les laisser sécher) |
- Virot, E. and Ponomarenko, A. (2015) Popcorn: critical temperature, jump and sound. Journal of the Royal Society Interface, 12.
- Hoseney, R. C., Zeleznak, K. and Abdelrahman, A. (1983) Mechanism of popcorn popping. Journal of Cereal Science, 1, 43-52.
- Ziegler, K. E. (2001) Popcorn. In: Hallauer, A. R. (ed.) Specialty Corns, 2nd ed., CRC Press.
- National Astronomical Observatory of Japan (国立天文台), éd., 『理科年表』 (Chronological Scientific Tables), Maruzen Publishing (pression de vapeur saturante de l'eau)
※Cet article est une vulgarisation scientifique pour le grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur et des estimations pour comprendre le mécanisme. Faites la cuisson sous la surveillance d'un adulte et suivez le mode d'emploi des ustensiles et des produits.