Pourquoi une casserole couverte bout-elle plus vite ?
― C'était la vapeur qui emportait la chaleur
Le couvercle d'une casserole ne sert pas à empêcher la poussière d'entrer. Ce qu'il bloque, c'est la vapeur qui s'élève de la surface de l'eau. Discrète, elle emporte pourtant énormément de chaleur. La chaleur nécessaire pour transformer 1 gramme d'eau en vapeur est environ 7 fois supérieure à celle qu'il faut pour chauffer ce même gramme depuis l'eau du robinet jusqu'à l'ébullition.
Vous voulez cuire des pâtes : vous remplissez une grande casserole d'eau et la mettez sur le feu. Comme elle met du temps à bouillir, vous posez un couvercle. Et comme par magie, ce qui semblait une éternité d'attente se transforme en un clapotis bouillonnant presque immédiat.
C'est pareil une fois l'ébullition atteinte. Sans couvercle, il faut garder le feu vif pour que ça continue à bouillir. Avec un couvercle, même à feu doux, l'ébullition se maintient.
Le couvercle n'est qu'une fine plaque de métal ou de verre. Il n'a aucun pouvoir de chauffer l'eau par lui-même. Alors que fait-il exactement ?
Seulement deux raisons
Quand l'eau se transforme en vapeur, elle emporte avec elle une quantité de chaleur énorme. L'évaporation d'un seul gramme fait disparaître de la casserole assez de chaleur pour faire bouillir près de 7 grammes d'eau.
La vigueur avec laquelle la vapeur s'échappe n'augmente pas proportionnellement à la température. Elle s'accélère brusquement au-delà de 80°C, et atteint son maximum juste avant l'ébullition.
Quand ces deux effets se combinent, une casserole au bord de l'ébullition rejette, sous forme de vapeur, une grande part de la chaleur qu'on lui fournit. Le couvercle ferme cette sortie. Voyons cela en détail.
Pourquoi la vapeur emporte-t-elle autant de chaleur ?
Les molécules d'eau s'attirent et se collent les unes aux autres. Pour qu'une molécule s'échappe de la surface de l'eau et devienne vapeur, il lui faut assez d'élan pour rompre cette attraction mutuelle. La chaleur correspondant à cet élan est emportée hors de la casserole par la molécule qui s'échappe.
Cette quantité est extraordinaire. Si l'on prend pour « 1 » la chaleur nécessaire pour chauffer 1 gramme d'eau de 20°C à 100°C, la chaleur nécessaire pour transformer ce même gramme d'eau à 100°C en vapeur vaut « environ 6,7 ». La température de l'eau ne monte pas, mais la chaleur continue de s'échapper. C'est le même mécanisme qui refroidit le corps quand on transpire.
Regardez la figure 1. Dans la casserole sans couvercle à gauche, comme le montrent les flèches vers le haut, la vapeur s'échappe vers la pièce en emportant sa chaleur. Dans la casserole avec couvercle à droite, la vapeur heurte le dessous du couvercle, se refroidit et redevient gouttelette. La chaleur que portait la vapeur est alors restituée au couvercle et à la casserole lors de ce retour en gouttelette. La gouttelette retombe ensuite dans l'eau, comme l'indique la flèche en pointillés.
Pourquoi le couvercle agit-il davantage juste avant l'ébullition ?
La vigueur avec laquelle la vapeur s'échappe dépend de la force avec laquelle elle « pousse » sur la surface de l'eau. Cette force de poussée s'appelle la pression de vapeur saturante. Lorsqu'elle est bien plus forte que la quantité de vapeur déjà présente dans l'air de la pièce, la vapeur continue de s'échapper vers l'air.
Cette force de poussée augmente de façon très rapide avec la température. Essayez de déplacer le curseur de la figure 2. Comparée à l'eau à 20°C, elle est environ 8,5 fois plus forte à 60°C, et environ 20 fois plus forte à 80°C. À 100°C, elle dépasse 40 fois cette valeur et égale le poids de l'air ambiant (1 atmosphère). C'est l'ébullition.
En somme, l'effet du couvercle est faible quand l'eau est tiède, et maximal juste avant l'ébullition ainsi qu'après. Une casserole sans couvercle qui bout en continu rejette sous forme de vapeur la quasi-totalité de la chaleur fournie par la plaque. À feu vif domestique, 10 minutes d'ébullition feraient disparaître plusieurs centaines de grammes d'eau. Avec un couvercle, une grande partie de cette chaleur revient dans la casserole, et l'ébullition se maintient même à feu doux.
Un couvercle ordinaire est léger, et la vapeur s'échappe par les interstices. La pression dans la casserole monte à peine, et l'eau continue de bouillir à 100°C. Ce que change le couvercle, c'est « le temps avant l'ébullition » et « l'intensité du feu nécessaire pour maintenir l'ébullition ». Élever réellement la température d'ébullition est le rôle de l'autocuiseur, dont le couvercle est fermé hermétiquement sous pression.
Quand on fait cuire des pâtes ou des légumineuses, l'amidon dissous dans l'eau fait durer la mousse plus longtemps. Si le couvercle reste bien fermé, la mousse n'a plus d'issue et déborde facilement. Gardez le couvercle fermé jusqu'à l'ébullition, puis décalez-le légèrement une fois l'eau bouillante : vous économisez de la chaleur tout en évitant les débordements. Au moment d'ouvrir le couvercle, inclinez-le vers l'extérieur pour que la vapeur ne vous arrive pas au visage.
En résumé
Parmi les fuites de chaleur d'une casserole, la vapeur est la plus discrète mais aussi la plus importante. En devenant vapeur, l'eau emporte environ 7 fois la chaleur qui a servi à la chauffer. Et cette vigueur s'intensifie brusquement à mesure que l'eau chauffe. Le couvercle ferme cette sortie et renvoie la chaleur à l'intérieur de la casserole.
Le couvercle ne chauffe pas l'eau.
Il empêche la vapeur d'emporter la chaleur.
Pourquoi cette même vapeur est-elle plus douloureuse au contact de la peau que l'eau chaude ? C'est expliqué dans « Pourquoi la vapeur brûle-t-elle plus que l'eau chaude ? ». Et le mécanisme de l'autocuiseur, qui élève la température d'ébullition, est détaillé dans « Pourquoi le riz cuit mal au Mont Fuji, mais plus vite à l'autocuiseur ? ».
- Versez la même quantité d'eau (par exemple 1 litre) dans une même casserole, et pesez l'ensemble casserole comprise.
- À la même intensité de feu, faites bouillir une première fois sans couvercle, puis une seconde fois avec couvercle, en chronométrant le temps jusqu'à l'ébullition.
- Une fois l'ébullition atteinte, maintenez-la 5 minutes à feu moyen-doux, coupez le feu, puis repesez. Comparez la perte de poids entre les deux essais, sans et avec couvercle.
La perte de poids correspond à la quantité d'eau échappée sous forme de vapeur. Pour poser une casserole chaude sur la balance, utilisez un gant de cuisine et placez un dessous-de-plat sur la balance. Si vous faites l'expérience avec un jeune enfant, c'est un adulte qui doit manipuler la casserole.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les manuelsDu niveau collège jusqu'aux matières universitaires spécialisées, le niveau de chaque partie est indiqué
- Collègeniveau du programme de sciences au collège
- Lycéeniveau des matières « physique » et « chimie » au lycée
- Lycée＋contenu d'approfondissement du lycée, ou traité en encadré dans les manuels
- Universitécontenu non abordé au lycée, relevant de matières universitaires spécialisées (thermodynamique, génie thermique)
- Recherchesujet qui n'est même pas enseigné à l'université comme un « savoir établi », et que les chercheurs étudient encore activement
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Chaleur de vaporisation (chaleur latente) : chaleur qu'un liquide absorbe de son environnement pour devenir gaz. Pour l'eau, environ 2260 joules par gramme (à 100°C).
- Chaleur spécifique (capacité thermique massique) : chaleur nécessaire pour élever de 1°C la température d'1 gramme de matière. Pour l'eau, environ 4,2 joules.
- Pression de vapeur saturante : limite supérieure de la force avec laquelle la vapeur tend à s'échapper de la surface de l'eau. Elle dépend de la température ; la température à laquelle elle égale 1 atmosphère est le point d'ébullition.
CollègeLycéeVérification par le calcul : quelle quantité de chaleur la vapeur emporte-t-elle ?
Comparons la chaleur nécessaire pour faire bouillir 1 litre (1 kilogramme) d'eau depuis 20°C, et la chaleur qui s'échappe sous forme de vapeur. La quantité évaporée varie beaucoup selon la taille de la casserole et les courants d'air de la pièce ; on pose donc ici des valeurs indicatives pour le calcul.
| En notation symbolique | Q ＝ m × c × ΔT ＋ mv × L |
| En mots | Chaleur nécessaire ＝ masse d'eau × chaleur spécifique × élévation de température ＋ masse d'eau évaporée × chaleur de vaporisation |
| Origine de la formule | Conservation de l'énergie : la chaleur fournie par la plaque se répartit entre l'élévation de température de l'eau et la part emportée par la vapeur |
| Symbole | Signification et unité |
| Q | Chaleur à fournir à l'eau (joules) |
| m, c, ΔT | Masse d'eau (grammes), chaleur spécifique (joules／gramme・°C), élévation de température (°C) |
| mv, L | Masse d'eau devenue vapeur (grammes), chaleur de vaporisation (joules／gramme) |
| Chaleur spécifique de l'eau | 4,2 joules／°C par gramme |
| Chaleur de vaporisation de l'eau (100°C) | environ 2260 joules par gramme |
| Élévation de température | de 20°C à 100°C, soit 80°C |
| Chaleur fournie par la plaque (feu vif, estimation) | environ 1000 joules par seconde (1 kilowatt) |
| Chaleur pour élever 1 gramme d'eau de 80°C | 4,2 × 80 ＝ 336 joules |
| Chaleur pour faire bouillir 1 litre (1000 grammes) | 336 × 1000 ＝ 336000 joules |
| Rapport chaleur de vaporisation / chaleur de chauffe | 2260 ÷ 336 ≒ 6,7 fois |
| Si 20 grammes s'évaporent avant l'ébullition | 20 × 2260 ＝ 45200 joules |
| Proportion par rapport à la chaleur de chauffe | 45200 ÷ 336000 ≒ 0,13 |
| Eau évaporée par seconde en ébullition | 1000 ÷ 2260 ≒ 0,44 gramme |
| Sans couvercle, pour 10 minutes (600 s) d'ébullition | 0,44 × 600 ≒ 264 grammes |
Seulement 20 grammes d'eau évaporée (un peu plus d'une cuillère à soupe) avant l'ébullition suffisent à exiger plus de 10% de chaleur supplémentaire. Une fois l'ébullition atteinte, sans couvercle, la quasi-totalité de la chaleur fournie devient vapeur, et le calcul donne plus de 250 grammes d'eau disparue en 10 minutes. Ce ne sont que des ordres de grandeur, mais ils montrent bien que le couvercle agit davantage « après » l'ébullition qu'« avant ».
LycéeLycée＋Trois voies d'évacuation de la chaleur hors de la casserole
LycéeLa chaleur quitte la surface de l'eau par trois voies : la « convection », transmise par contact direct avec l'air ; le « rayonnement », émis sous forme de rayons infrarouges invisibles ; et l'« évaporation », emportée par la vapeur. Tant que l'eau est à basse température, convection et rayonnement dominent, mais quand la température monte, la part de l'évaporation croît brusquement et devient la voie principale à l'approche de l'ébullition.
Lycée＋Le retour de la vapeur en gouttelette sous le couvercle s'appelle la condensation. Lors de la condensation, la chaleur emportée par l'évaporation est intégralement restituée. Le couvercle lui-même s'échauffe et perd un peu de chaleur vers l'extérieur, mais c'est bien moins que si la vapeur s'échappait directement dans la pièce.
UniversitéLa montée brusque de la pression de vapeur saturante et le transfert de matière
Le fait que la pression de vapeur saturante augmente de façon quasi exponentielle avec la température s'explique en thermodynamique par l'équation de Clausius-Clapeyron. La courbe de la figure 2 a été tracée avec la formule approchée de Tetens, couramment utilisée en météorologie. La vitesse d'évaporation à la surface de l'eau est traitée en génie thermique comme un « transfert de matière » : on l'estime en multipliant la différence entre la concentration de vapeur d'eau à la surface et celle de l'air ambiant par un coefficient de transfert de matière. Le fait que les équations de transfert de chaleur et de transfert de matière aient une forme similaire s'appelle l'analogie entre transfert de chaleur et de matière.
📖 Pour la dérivation des formules et pour aller plus loin : équation de Clausius-Clapeyron (Wikipédia, en japonais) ／ chaleur de vaporisation (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore bien compris
- Prédire précisément la quantité d'évaporation à la surface de l'eau Au-dessus d'une surface d'eau chaude, l'air s'élève de façon turbulente, si bien que la vitesse d'évaporation s'estime habituellement par des formules empiriques. Prédire précisément en tenant compte de la forme de la casserole et des courants d'air de la pièce reste aujourd'hui difficile.
- L'ampleur des économies d'énergie en cuisine L'effet du couvercle et de l'intensité du feu sur les économies d'énergie varie beaucoup selon le matériau, la taille de la casserole et la puissance du feu. Des travaux continuent pour mesurer précisément ces écarts selon les conditions, en cuisine réelle.
- Accélérer le transfert de chaleur en modifiant la formation des gouttelettes On sait que le transfert de chaleur diffère selon que la vapeur forme un film continu ou des gouttelettes séparées sur une surface. Des recherches visent à traiter les surfaces pour favoriser la formation de gouttelettes et accélérer ainsi le transfert de chaleur.
Autrement dit, le contenu de cet article aussi n'est qu'une « explication dans l'état actuel des connaissances ». Les valeurs calculées ne sont que des repères pour ressentir intuitivement le mécanisme.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences « changements d'état », « transmission de la chaleur » | La vapeur emporte la chaleur, retour en gouttelette sous le couvercle |
| Lycée | Physique « chaleur et énergie », chimie « changements d'état et pression de vapeur » | Calcul de la chaleur spécifique et de la chaleur de vaporisation, pression de vapeur saturante |
| Lycée＋ | Physique d'approfondissement « condensation et chaleur latente » | Mécanisme de restitution de la chaleur sous le couvercle |
| Université | Thermodynamique, génie thermique | Équation de Clausius-Clapeyron, transfert de matière |
| Recherche | Recherche sur le transfert de chaleur et les changements de phase | Prédiction de l'évaporation, exploitation de la condensation en gouttelettes |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Couvercles de casseroles et de bouilloires, couvercle flottant, économies de gaz et d'électricité |
- Observatoire astronomique national du Japon (éd.), Rika Nenpyō (Tables scientifiques annuelles), Maruzen Publishing (valeurs de chaleur spécifique, chaleur de vaporisation et pression de vapeur saturante de l'eau) — 国立天文台 編『理科年表』丸善出版
- Société japonaise des ingénieurs mécaniciens (éd.), Données de génie thermique, Maruzen Publishing (traitement de l'évaporation et du transfert de matière) — 日本機械学会 編『伝熱工学資料』丸善出版
- Wikipédia « Chaleur de vaporisation » (en japonais)
- Tetens, O. (1930) Über einige meteorologische Begriffe. Zeitschrift für Geophysik, 6, 297–309. (formule approchée de la pression de vapeur saturante)
※Cet article est une explication scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des repères et des estimations pour comprendre le mécanisme. Toute expérience impliquant une casserole ou de la vapeur doit être réalisée sous la surveillance d'un adulte et avec la plus grande prudence.