mardi 20 mars 2012

Comprendre la chaleur dans la cuisine


Que savez vous exactement sur la chaleur, concept essentiel en cuisine? De quoi s'agit-il réellement?

La réponse naive serait 'ben... je sais quand il fait chaud et qu'il fait froid.....'

La réalité est un peu plus élaborée que cela. La notion de chaud et de froid est subjective, et la  température n'est qu'une mesure de la quantité d'énergie présente dans la matière. Et la matière, l'énergie et la chaleur sont intimement liées comme nous allons voir.





Posons  nous les questions suivantes:
  • Comment se fait-il que je sais laisser ma main dans un four à 250°c pendant plusieurs secondes, alors que si je trempe ma main dans une friteuse à 180° ne fut-ce qu'une fraction de seconde, je serais gravement brulé?
  • Pourquoi mes saucisses cuites sur un barbecue sont-elles brulées à l'extérieur mais crues à l'intérieur?
  • Comment se fait-il qu'une sauce épaissse aura tendance a bruler au fond de la casserole, mais pas une soupe?
  • Pourquoi la cuisson à un four à vapeur ou a air pulsé est elle plus efficace qu'un four traditionnel?
  • Comment se fait-il qu'un steak cuit mieux dans un type de poêle plutot qu'une autre?
La science de la chaleur et la révolution industrielle sont intemement liés, cette révolution fut possible en grande partie à l'invention de la machine a vapeur, améliorée par James Watt en 1775


La machine à vapeur est une invention révolutionnaire fondamentale car cette machine est une des premières inventions humaines qui convertissent de la matière (carburant) en travail  par l'action de la chaleur et de la vapeur d'eau.  Afin d'améliorer le fonctionnement et le rendement de ces machines, une nouvelle discipline scientifique s'est développée,  appelée 'Thermodynamique', qui est en grande lignes l'étude et la compréhension de la relation entre la matière la chaleur, et le travail.

Auparavant, la chaleur et le feu étaient considéres comme des éléments quasi mystiques, voire un des éléments fondamentaux (air,terre, eau, feu..). Des personnages historiques tels que Joule, Lavoisier, Carnot, Boyle et Gay-Lussac ont étudié la chaleur et son comportement, et son effet sur les machines à vapeur.

Je vais abbréger les math et l'histoire de la science et résumer les points importants.
  • En 1824 Sadi Carnot a fait le lien entre l'utilisation de chaleur pour entrainer des machines, qui réalisent un certain travail, et qui fut comparé a la quantité de travail qu'un cheval de trait de l'époque était capable de réaliser. La notion de Cheval-Vapeur est née, et est toujours bien présente chez les vendeurs de voitures (alors que l'unité moderne devrait être le kilowatt...)
  • En 1843, Joule définit l'équivalence mécanique de la chaleur
  • En 1849, le physicien William Thomson définit le terme de thermodynamique dans une publication sur l'efficience des machines à vapeur.


Qu'est-ce que la chaleur alors?

Premier principe, la chaleur n'est  simplement pas la température d'un objet!!! La définition simpliste est que la chaleur d'un object est représentée par la combinaison de la masse et de la température de cet objet.
La chaleur peut également être définiée comme la quantité d'energie potentielle, ou enthalpie, contenue dans un objet, mais est plus souvent définie  comme la quantité d'énergie transmise d'un corps ou d'un systeme thermodynamique vers un autre, chaleur qui est transmise ou générée par conduction, radiation, réaction chimique, friction, viscosité et fission/fusion nucléaire.

La chaleur est toujours transmise d'un corps 'chaud' vers un corps 'moins chaud' (et non pas plus froid, car le 'froid' en temps que tel n'existe pas!!-)

D'autres définitions existent: transfer d'énergie d'un système à haute température vers un système à plus basse température, tout transfert d'énergie d'un système vers un autre causé par une différence de température.

La chaleur peut est générée par:
  • Une réaction chimique. Une flamme de gaz est en réalité une réaction chimique de combustion qui libère de la chaleur, de même que l'explosion de vapeur d'essence dans le moteur de votre voiture.
  • Friction:  frottez deux morceaux de bois et après un certain temps la chaleur générée par la friction déclenchera une combustion. Les freins de votre voiture transforment l'énergie du mouvement en chaleur, et certains appareils de cuisson utilisent la friction comme source de chaleur.
  • Resistance à un courant électrique, comme dans la plupart des appareils électroménagers, des fours électriques. Un courant electrique appliqué dans un liquide peut également dégager de la chaleur (chauffage ohmique)
  • Induction par un champ electromagnétique magnétique: de l'énergie electromagnetique à haute fréquence est fournie à un métal conducteur, ce métal va dissipper cette énergie sous forme de chaleur (taques à induction). Dans cette application le fond de la marmite génère la chaleur, plutot qu'une résistance placée en dessous.
  • Fission et fusion nucléaire. Très important en gastronomie!!! Comme l'a dit Albert Einstein, l'énergie est égale à la masse multipliée par la vitesse de la lumière au carré (E=mc²). Notre brave étoile "soleil" est en fait un gigantesque réacteur nucléaire, et sans ses rayons, il n'y aurait pas de vie sur terre, pas de plantes, d'animaux, et donc pas de gastronomie
Ensuite la chaleur se transmet par :
  • Conduction : l'énergie passe d'un corps à un autre, par contact entre ces corps. Par exemple, un steak sur une plancha.
  • Convection : un corps qui se déplace emmène avec lui l'énergie qu'il contient. La quantité d'énergie ainsi transportée peut être importante, notamment dans le cas d'un changement de phase. Exemple: la friteuse, la marmite pour bouillir les patates,...
  • Rayonnement (radiation) : tous les corps émettent de la lumière, en fonction de leur température, et sont eux-mêmes chauffés par la lumière qu'ils absorbent. Exemple: un grill (un barbecue par contre a une partie de convection car de l'air chaud circule).
La transmission d'énergie la plus répandue est par radiation. Pensez au soleil qui nous chauffe avec ses rayons (voire nous donne de sérieuses brûlures dans certains cas).

L'energie sous forme de radiation n'a pas besoin de matière pour se propager. Les rayons du soleil traversent le vide avant d'atteindre notre planete, et  les gaz sont généralement transparents à la radiation, par contre les liquides absorbent bien la chaleur irradiée. Typiquement cette radiation est dans la plage des rayons infrarouges, comme ceux émis par les lampes qui servent à garder les assiettes chaudes. La quantité d'énergie solaire recue à la surface de la terre au niveau de la mer est d'approximativement 1000 Watt/m², dont 527 Watt sont de la radiation infrarouge, donc de la chaleur. Le fait de concentrer ce rayonnement avec une loupe va augmenter la densité d'énergie par m² d'un facteur d'approximativement 250 fois, ce qui permet - entre autres - d'allumer un feu (ou d'enquiquiner des fourmis...).

Les solides sont opaques, et absorbent la lumière ainsi que la radiation thermique, mais tout solide à temprature supérieure à 0°K (le zero absolu, approximativement -273.15°) émet spontanément de la radiation thermique.

Les thermomètres 'laser' modernes se basent sur ce rayonnement pour mesurer la température d'un corps, cependant  le type de surface du solide peut influencer la mesure de la température. En effet un corps noir absorbera la radiation thermique et ré-émettra une quantité constante, par contre un corps réfléchissant tel que de couleur blanche va refléchir une partie de la radiation qu'il recoit, et le thermometre laser pourrait indiquer une température plus élevée que la température réelle de l'objet. Sachez également qu'un thermometre laser ne mesure que la chaleur emise par radiation, pas la température à coeur! Un roti pourrait avoir une température en surface de 150° mais une température à coeur de 60°.

La transmission par convection se fait par la transmission de chaleur d'un corps chaud via un fluide, qui peut être un liquide ou un gaz. La cuisson dans une friteuse est un excellent exemple transfert par  convection. Cette convection sera influencée par la vitesse de circulation du fluide, sa viscosité, sa capacité à former une résistance convective, qui est  une couche de fluide statique directement en contact avec le corps chaud.

Par exemple un pullover est une forme de résistance convective, qui maintient une couche d'air chaud autour de votre thorax et empèche le refroidissement de votre corps.  Une pièce de viande dans un four va former une minuscule couche de vapeur d'air autour de sa surface, qui va également former une résistance convective. Le fait de forcer la circulation d'air dans le four avec un ventilateur (four à chaleur tournante, air pulsé,...) va briser cette couche de vapeur, et permettre une meilleure absorbtion de la chaleur. Le phénomène inverse se passe lorsque vous soufflez sur une cuiller de soupe trop chaude avant de la mettre en bouche.

L'exemple le plus spectaculaire de résistance convective est l'effet Leidenfrost. Vous avez probablement déjà remarqué qu'une goutte d'eau sur une plaque très chaude ne s'évapore pas immédiatement, et semble flotter sur la surface chaude. Ce phénomène est du au fait qu'une petite partie de la goutte d'eau s'évapore et forme une couche de vapeur isolant temporairement le restant de la goutte de la plaque chaude.


La meilleure démonstration de ce effet est sur cette vidéo, ou une boule de métal est chauffée à blanc puis plongée dans un liquide. On peut voir clairement la bulle de vapeur protective se former autour de la sphère de métal, puis se rompre après un certain temps.





La transmission de chaleur par conduction se fait lorsque deux corps à température différente sont en contact, le plus chaud va transmettre sa chaleur à l'autre jusqu'au moment ou la temperature des deux corps est identique. Ce qui explique que ma compagne a toujours froid.....

En cuisine, on utilise généralement un mélange de plusieurs méthodes de transmission de chaleur. Un steak dans une poêle va cuire en partie par transmission de chaleur par conduction, et en partie par convection de la matière grasse dans la poêle. Sous un grill ou une rotisserie, nous aurons principalement du rayonnement, mais par contre pour un barbecue,  la chaleur sera transmise en partie par rayonnement des braises et en partie par convection d'un flux d'air chaud.

Calories, Celsius et Fahrenheit
Dans un message précédent, j'avais évoqué l'héresie de l'utilisation des calories dans l'alimentation. Dans le domaine de la thermodynamique, la calorie est originellement une valeur arbitraire attribuée à la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température d'un kilo (un litre) d'eau de 14°c à 15°c (pour être précis, la calorie-kilo). Le problème avec cette unité est qu'elle ne s'intègre pas bien avec les autres unités scientifiques, ce pourquoi elle a été remplacée par le Joule, et une calorie kilo equivaut à 4184 Joules (ou 0,001612 kW/h)

L'eau, étant une substance fort répandue sur notre planète a été choisie par facilité pour arbitrairement définir  les points de référence des degrés celsius, pour mémoire, la glace fond à 0°c, et l'eau bout à 100°c. Fahrenheit a par contre utilisé 32°F comme référence pour la fusion de la glace, et 212° pour l'ébullition, la logique sous jacente étant qu'il y a exactement 180° entre les deux, et de ce fait ne  nécessitera pas (ou moins) de décimales. Hormis les USA, le reste du monde utilise les degrés Celsius comme mesure de la température. Le degré Kelvin est identique au Celsius, mais le point de référence de 0°K est le zero absolu et correspond à -272°c.

Matière et chaleur
Chaque substance a un comportement spécifique à la chaleur. Un kilo d'eau à 14°c requiert 4184 joules d'énergie calorique pour que sa  température agmente de un degré C. Par contre, un kilo d'huile n'aura besoin que d'approximativement 2000 joules  pour une élévation de température similaire, le cuivre 385 joules, et  l'or seulement 129 joules. Frottez une bague en or sur un tissu et vous constaterez que la chaleur venant de la friction est transmise très rapidement.

Cette quantité d'énergie s'appelle chaleur spécifique ou capacité thermique massique, et est déterminée par la quantité d'énergie à apporter par échange thermique pour élever d'un degré kelvin ou celsius la température de l'unité de masse d'une substance.
L'unité du système international est alors le joule par kilogramme-kelvin (J·kg-1·K-1).

Maintenant faisons une autre petite expérience. Prenez une casserole d'eau et faites la bouillir. Mesurez la température de l'eau, et vous constaterez qu'elle est proche de 100°c. Vous pouvez mettre la source de chaleur à sa puissance maximale, et la température de l'eau ...restera à 100°.

Pourquoi?

La matière existe sous trois etats (ou phasese) principaux: solide, liquide et gazeux. Dans chacun de ces états ces matières ont une chaleur spécifique, cependant pour pouvoir passer d'un état à un l'autre, la matière va soit absorber soit libérer de l'énergie, connue sous le nom de chaleur latente. Pour passer de la phase liquide à la phase gazeuse à la même température, un litre d'eau nécessitera un apport de 2.260.000 Joules, qui comme vous pouvez comprendre est une quantité de chaleur non négligible comparé à la chaleur spécifique. Par contre pour passer de la phase solide (glace) à la phase liquide (eau) il ne faut "que" 334.000 joules, approximativement 7 fois moins. Ce qui semble être une énorme consommation d'énergie est cependant ce qui permet de bouillir les patates: si l'eau se vaporisait immédiatement à 100°, il ne serait pas possible de garder un fluide chaud pour poursuivre la cuisson.

Dans le phénomène inverse, à savoir la condensation, la vapeur d'eau va libérer la même quantité d'énergie sous forme de chaleur, ce qui fait qu'un four à vapeur est plus efficient pour certaines cuissons qu'un four traditionnel. En se condensant  sur la surface des aliments, la vapeur va transférer plus de chaleur que par la convection ou radiation d'un four classique ( il s'agit de "quantité de chaleur" et pas de température!)
D'autre part, ne confondez pas cuisson à la vapeur, et cuisson sous pression, qui se basent sur d'autres phénomènes physiques, j'y reviendrais plus tard.

Un autre exemple pratique d'utilisation de la chaleur latente est  ces petites pochettes chauffantes qui contiennent un liquide, et qui suite à la pression d'un cliquet en métal va libérer de la chaleur et se solidifier. Cette pochette peut être 'rechargée' en la plongeant dans de l'eau bouillante quelques minutes.
Le principe est identique, ces pochettes contiennent une solution supersaturée d'acetate de sodium, qui après une perturbation va rapidement cristalliser et libérer la chaleur latente absorbée lors de la dissolution des cristaux.


Pourquoi mettre un couvercle sur une marmite
Notre casserole d'eau en ébullition va dégager de la vapeur, qui contient une quantité importante de chaleur latente. La vapeur, comme tout gaz va naturellement se disperser dans l'atmosphère ambiante, et en se condansant va dissiper sa chaleur. (Au fait, le nuage blanc au dessus de la casserole n'est déjà plus de la vapeur, mais de microscopique gouttelettes d'eau flottant dans l'air, comme dans le cas d'un nuage ou de brouillard). Le fait de garder cette vapeur dans l'environnement de la casserole avec un couvercle va limiter la perte de chaleur, et concentrer son utilisation sur la cuisson des aliments plutot que de réchauffer l'atmosphère.

Si vous avez un couvercle de marmite transparent, faites l'expérience suivante: règlez la puissance de la source de chaleur pour que votre appareil cuise à petits bouillons, voire frémisse lorsque le couvercle est sur la marmite. Ensuite, enlevez le couvercle et vous observerez qu'après quelques secondes  l'appareil ne bout plus, car la chaleur de la vapeur se dissipera, la quantité totale de chaleur du 'système' marmite diminue et l'ebulition ralentit, voire stoppe..

Conductivité et isolation
Vous avez certainement constaté que différente matières conduisent ou absorbent la chaleur de différente facon. Ainsi, le bois ne conduit pas bien la chaleur, et est souvent utilisé pour faire des poignées isolantes. Par contre le cuivre et l'aluminium conduisent très rapidement la chaleur.
La conductivité thermique des matières est exprimée en Watt par Metre par degré K, représentant la quantité d'énergie à fournir pour mesurer une différence de 1°K sur une longueur particulière.

Pour quelques matières voici leur conductivité: (à 20°c de référence)

Acier inox:  15-20
Acier au carbone 55
Aluminium: 237
Air: 0,0262
Argent: 418
Bois: 0,20 (moyenne)
Cuivre : 390
Diamant: 1000 à 2600
Eau: 0,6
Fonte: 55-60
Laine: 0,05
Or: 317
Verre: 1,2

Donc selon ces chiffres, l'air est la pire matière pour transférer de la chaleur et la meilleure matière serait le diamant... Cela risque de faire cher pour une marmite. L'argent, l'or et le cuivre sont les candidats suivants, suivis de l'aluminium. L'argent et l'or étant trop fragiles (et trop chers) fait qu'ils sont rarement utilisés pour fabriquer des instruments de cuisine. Par contre le cuivre et l'aluminium sont fort utilisés en cuisine.

L'air est un bon isolant, et un linge - constitué en grande partie d'air entouré de matériau isolant- vous permettra de prendre un plat hors du four sans vous bruler. Mais si votre linge est humide, il conduira la chaleur trente fois plus que si il est sec, et vous vous brulerez. Je parle d'expérience, gardez toujours un essuie sec à portée de main.


Et la fonte dans tout cela
La fonte n'est pas un très bon conducteur de chaleur (mais quand même supérieur à l'inox) et a une capacité thermique assez élevée, donc il faudra fournir beaucoup de chaleur pour chauffer une casserole en fonte, mais en contrepartie elle accumulera cette chaleur et la diffusera plus lentement qu'avec des accessoires en alu ou en cuivre. Une cocotte en fonte est idéale pour mijoter lentement un plat braisé à température stable, ou pour un grill pour cuire un steak. Par contre pour une technique de cuisson demandant des coups de feu contrôlés, elle chauffera et refroidira trop lentement. Dans ce cas, le cuivre est idéal, suivi de près par l'aluminium.



De l'impact de la chaleur latente de l'eau sur la cuisson d'un steak
Prenons un corps froid - un steak - et un corps très chaud - une poele ou un grill et mettons les en contact. La poele grill, chauffée à sec aura une température d'approximativement 300°c, et le steak, selon qu'il sort du frigo ou a eu l'opportunité de se mettre à température ambiante aura une température allant de 4°c à 20°c.

Cela semble simple, mais plusieurs choses vont se passer simultanément, qui vont soit contribuer à produire un steak parfait, soit produire des semelles.....  Selon la préférence de cuisson la température à coeur du steak devra se trouver entre 40° (bleu) et 72° (quasi trop cuit). (pour une référence des températures idéales cliquer ici)

Mais bien que constitué en grande partie d'eau une pièce de viande n'aura pas le même  comportement que de l'eau à la cuisson. Les autres constituants majeurs de la viande sont principalement trois protéines, la myosine, la myoglobine et le collagène. Les deux premières protéines constituent les fibres musculaires et sont assez tendres, tandis que le collagène est plus coriace et constitue la charpente qui tient les fibres musculaires ensemble.

Le collagène se comporte différemment de la myosine et de la myoglobine, et effet il se contracte plus  rapidement à la chaleur (a partir de 65°C), et requiert une durée de cuisson assez longue pour s'attendrir et se transformer en gélatine. (dans le cas de la chair de poisson le collagène commence à se contracter à 32°c)

Revenons à notre steak. La surface extérieure de la viande va commencer à brunir par l'effet de la réaction de Maillard, et donner ce gout caractéristique. Par contre, en même temps, le collagène va se contracter et comme une éponge que l'on presse, forcer l'eau hors de la pièce de viande. Cette eau va se retrouver dans votre poêle et idéalement s'évaporera directement au contact du métal chaud, ce qui donne ce bruit caractéristique lors de la cuisson.

Maintenant évaluons un scénario catastrophe: comment rater la cuisson d'un steak

  • Vous prenez une poêle  bon marché et très fine en aluminium antiadhésive, couverte de téflon  
  • Comme on vous a toujours dit, il ne faut pas chauffer ce genre de poêle trop fort, car ca peut ne pas être bon pour la santé, le teflon risque de bruler, et l'aluminium donne la maladie d'Alzheimer, blah blah blah...
  • Comme on vous a aussi toujours dit, la matière grasse c'est pas bon pour la santé, donc vous mettez une toute petit goutte d'huile dans la poêle
  • Ensuite vous déposez gentiment trois steaks dans la poele, et laisser cuire tout doucement, pendant dix minutes. . 
  • Résultat: du steak gris, dur comme une semelle et sans gout...

Pourquoi?

  • Tout d'abord, la poele n'est pas assez chaude, ou il n'y a pas assez de matière grasse pour conduire la chaleur par convection
  • Ensuite, la poele, étant faite d'une fine couche d'aluminium transmettant bien la chaleur, refroidira rapidement au contact du steak. Comme l'aluminium n'a pas suffisamment de capacité thermique, la seule source de chaleur pour la cuisson vient du bec de gaz ou de l'élément chauffant de votre cuisinière
  • Le collagène commence à se contracter, et chasse l'eau de la viande, qui rentre en contact avec une poele trop froide pour l'évaporer (surtout vu que vous avez mis trois steaks dans cette petite poele...)
  • Le fond de votre poele est maintenant couvert d'une couche d'eau, qui va bouillir à 100°, et nécessitera une quantitié de chaleur énorme pour s'évaporer (chaleur latente). Pendant ce temps, la viande continue à durcir, et ne se colore pas


Que faire alors?
  • Utilisez l'équipement adéquat. Prenez une poele ou un grill dont la taille est de 20 à 30 % supérieure à la ou les pièces que vous voulez cuire
  • Préférez une bonne poèle en acier ou en fonte. D'accord, elles sont lourdes et peu sexy, mais accumuleront suffisamment de chaleur pour une cuisson correcte
  • Ne mettez pas trop de viande dans votre poele. Il est préférable de marquer les morceaux à la poele puis de les terminer au four que de vouloir faire tout en une opération
  • Et surtout, choisissez un bon morceau de viande. Mais cela fera le sujet d'un autre article

Pour plus de déatils sur la cuisson d'un steak lisez ceci  http://cuisinederic.blogspot.com/2011/05/cuisson-dun-steak-la-poele.html


Cuisson sous pression
La cuisson sous pression n'est pas nécessairement de la cuisson à la vapeur, et vice versa. Nous avons vu ci dessus que l'eau bout à 100°c, mais à pression atmosphérique standard de 1 atmosphère . En effet, en altitude la pression atmosphérique diminue et  l'eau va bouillir à une température inférieure. à une altitude de 1000m, la température d'ébullition sera de 96.8°c, à 2000m de 93.3°c, et au sommet de l'Himalaya, vers 8000M ne sera plus que de 75.5°c.

Ce phénomène est décrit par la loi des gas parfaits, qui dans son essence spécifie que la pression fois le volume est égale à la masse de gaz fois la température fois une constante, selon la formule ci dessous:

PV=nRT

Ce qui signifie pour le commun des mortels que:

  • Si la pression augmente, à température constante le volume diminue
  • Si la pression diminue, à température constante le volume augmente
  • Si la pression augmente, à volume constant, la température augmente
  • Si la pression diminue, à volume constant, la température diminue
Ce phénomène a été mis en application en 1893 par un certain Rudolf Diesel, le moteur qui porte son nom a fait de lui un miliionnaire, et est basé sur le fait qu'en augmentant la pression d'un gaz il est possible d'obtenir une température suffisante pour permettre l'explosion d'un carburant.

Revenons en à la cuisine. Si nous augmentons la pression dans un récipient alors la température de ce récipient augmente, ce qui permettra d'obtenir un point d'ébullition de l'eau plus élevé, et donc une cuisson plus rapide.
La plupart des cocottes pression sont fabriquées pour cuire à une pression de 1.03 bar, ce qui amène le point d'ébullition de l'eau à 121°c.

Quel est alors l'avantage de la cuisson sous pression?
  • La température de cuisson est plus élevée, donc le temps de cuisson est réduit et le besoin en énergie diminue
  • La vapeur reste en grande partie dans la cocotte, donc peu de perte de chaleur, et apport en chaleur moindre

Et dans l'autre sens: la réfrigération
Il n'existe pas d'unités de froid. La température 'commence' au zero absolu, et monte en fonction de la quantité de chaleur apportée/générée dans un système. Vouloir dire qu'il y a des unités de froid, c'est comme de vouloir définir des unités de 'vide' dans une bouteille de vin. (Et également la "calorie négative" est un mythe)
Comme expliqué plus haut, la notion de chaleur  est fonction de la masse du système et de sa température. Je me permet un léger sourire quand je lis dans des livres de cuisine professionels des phrases comme "La pièce cède alors une grande quantité de froid et voit ainsi sa température augmenter".

Si on apporte de la chaleur à un système, la température augmente. Par radiation le système va diffuser naturellement une partie de sa chaleur et refroidir, et si ce système est mis en contact avec un autre système à température inférieure (incorrectement appelé plus froid ) il va transmettre sa chaleur jusqu'a ce que les deux sytèmes soient en équilibre. Il n'y a pas de "froid" et on ne sait pas apporter du froid, la notion de froid est purement une sensation animale.

Revenons au concept de chaleur latente. Pour passer d'un état à un autre, la matière requiert une certaine quantité de chaleur, appelée chaleur latente. Un glacon au surgélateur est à une température approximative de -18°c, et refroidira une boisson en absorbant une partie de sa chaleur, puis en fondant. En effet, l'eau a aussi une chaleur latente de fusion, de fusion de 335kJ/Kg, qui est bien inférieure a la chaleur latente d'évaporation.  En vous épargnant les math, il suffit d'une part de glace à 0° pour refroidir 3 parts d'eau de  20° à 0°C.

Pourquoi transpirons nous?

Comme vous l'aurez certainement constaté, une flaque d'eau sur le sol va progressivement s'évaporer. Ensuie, pour passer de l'état liquide à gazeux, l'eau aura besoin d'une certaine quantité de chaleur, dans le cas de la flaque, cette chaleur viendra du rayonnement solaire, ou de la température ambiante.
Sortez d'une piscine, et si vous ne vous essuyez pas vous aurez rapidement froid, car l'eau sur votre corps va en s'évaporant voler une partie de la chaleur de votre corps. L'organisme humain produit de la chaleur en travaillant, et lorsque vous faites un exrcice physique ou que la température ambiante est trop élevée votre corps va éliminer cette chaleur superflue en produisant une pellicule d'eau sur votre corps qui, en s'évaporant, va éliminer l'excès de chaleur.

Le même principe est d'application pour quasi tous les liquides.Quand vous remplissez un siphon avec un cartouche de gaz, vous aurez certainement remarqué que la cartouche de gaz vide est couverte d'une pellicule de givre. Deux choses se sont passées: en passant de l'état liquide à l'état gazeux, l'oxide d'azote de la cartouche a absorbé de la chaleur de son environnement, et en passant de haute pression (dans la cartouche) a plus basse pression dans le syphon, selon la loi des gaz parfaits, le volume a augmenté donc la température diminue.

D'autre part, comme dans le moteur diesel si on augmente la pression d'un système, on augmentera sa température, et corollairement on peut comprimer un gaz et le faire passer en phase liquide.

La combinaison de ces deux phénomènes permet de réaliser un appareillage connu génériquement sous le nom de 'pompe à chaleur'. D'un coté nous trouverons un compresseur qui comprime et liquéfie un gaz, et libére de la chaleur, et de l'autre coté nous trouverons un évaporateur qui comme son nom l'indique laisser le gaz liquéfié se transformer en gaz, et absorbera de la chaleur.

Il existe d'autres noms pour ce genre d'appareils, tels que refrigérateur, surgélateur, conditionement d'air,.... mais nous sortons du sujet.

Bien sur, il existe d'autres moyens plus modernes de générer de la chaleur en cuisine, tels que micro-ondes, induction et chauffage ohmique et mais cela fera probablement un article futur.

Ah oui, avant de conclure, la réponse aux questions en début d'article

Comment se fait-il que je peux laisser ma main dans un four à 250°c pendant plusieurs secondes, alors que si je trempe ma main dans une friteuse à 180° ne fut-ce qu'une fraction de seconde, je serais gravement brulé

L'air est un mauvais conducteur de la chaleur, et dans un four le transfer de chaleur se fait partiellement par rayonnement et partiellement par convection d'air chaud. Par contre l'huile, comme la plupart des liquides, transmet efficacement la chaleur. Et puis les frites à l'américaine faites dans un four ne sont pas des vraies frites! (mais de grace ne plongez jamais vos mains dans une friteuse, sinon votre surnom deviendra  l'homme homard )

Pourquoi mes saucisses cuites sur un barbecue sont-elles brulées à l'extérieur mais crues à l'intérieur

Le barbecue rayonne de la chaleur et force une convection d'air très chaud. Il faudra un certain temps pour que cette chaleur pénètre jusqu'au coeur de la saucisse, qui est fonction de la conductivité thermique de la chair à saucisse, mais entretemps la paroi extérieure de la saucisse peut bruler car la quantité de chaleur fournie est excessive, et les graisses s'échappant des saucisses peuvent bruler et laisser un dépot noir (et pas bon pour la santé...)

Comment se fait-il qu'une sauce épaissse aura tendance a bruler au fond de la casserole, mais pas une soupe?

Une sauce épaisse sera moins fluide, donc il y aura moins de convection et la chaleur aura l'opportunité de s'accumuler au fond de la casserole, et bruler la sauce.Avec une soupe qui est beaucoup plus fluide la chaleur pourra être dispersée plus rapidement par convection.

Pourquoi la cuisson à un four à vapeur ou a air pulsé est elle plus efficace qu'un four traditionnel

Voir ci dessus, le four a vapeur permettra de transférer la chaleur latente de condensation de la vapeur d'eau, et l'air pulsé reduira l'effet de couche isolante type effet Leidendorf

Comment se fait-il qu'un steak cuit mieux dans un type de poêle plutot qu'une autre?
Egalement, voir ci dessus.


Références: Food Engineering, 4th  edition


Modernist Cuisine, N Myrhold
Heat and Mass Transfer A Practical Approach 2nd Edition, Cengel


lundi 19 mars 2012

La viande rouge qui fait mourir... de rire

Cette semaine une étude nutritionelle a fait grand bruit dans les médias. Selon cette étude faite par d'éminents scientifiques dans une grande université d'un pays très très loin, le fait de consommer de la viande ferait augmenter le risque de mortalité de 20%.

Je suis mourant... de rire. 

Tout d'abord je ne pense qu'aucun journaliste qui a pondu des articles ayant comme titre  'toutes les viandes sont mauvaises', 'la viande rouge cause un décès sur dix', 'la viande peut être mortelle' et j'en passe, n'a certainement pas lu en profondeur cette étude. (qui est disponible en anglais sur ce lien)

Pour mémoire, il existe deux grands types d'études statistiques:
  • les études observationelles, qui se contentent de regarder les chiffres bruts, evaluer les corrélations et de tirer des conclusions hatives 
  • les études cliniques, qui visent à prouver ou réfuter l'effet d'une substance ou d'un traitement via un protocole d'étude strict et controlé. (par exemple comparer l'effet d'une substance par rapport à un placebo, les célèbres études en 'double aveugle')

A l'instar d'autres publications ou études, cette étude ne dit pas que la viande vous fera mourir via une  maladies cardio vasculaire ou un cancer, mais plutot que la viande vous fera mourir en général de tout!!

Je cite:


Conclusions  Red meat consumption is associated with an increased risk of total, CVD, and cancer mortality. Substitution of other healthy protein sources for red meat is associated with a lower mortality risk.

Conclusions: la consommation de viande rouge est associée à une augmentation du risque de mortalité, totale, cardio-vasculaire et cancer.La substitution par d'autres protèines bonnes pour la santé sont associées à un taux de mortalité inférieur.

Ces éminents chercheurs ont découvert qu'une portion par jour de viande était associée avec un risque de mortalité accru de 13%, et qu'une portion de viande transformée par jour - l'equivalent d'un hotdog - était associée à un risque de mortalité accru de 20%. 

Et ils on bien dit dans les conclusions tout type de mortalité.Y compris potentiellement les accidents de parachute, les naufrages en mer, les attentats terroristes et le décès par cause naturelle....

Et au cas ou vous en voulez plus ces chercheurs ont également agité leur baguette magique statistique et ont clamé que vous pourriez défier la mort pour quelques années supplementaires en mangeant des soi disant aliments 'meilleurs pour la santé'.En fait ces chercheurs suggèrent qu'un décès sur dix aura pu être évité si tout le monde mangeait la moitié moins de viande... 

Si vous suivez les divers discours nutritionnels depuis suffisament longtemps, vous aurez certainement observé que la santé selon les médias et la santé selon la réalité sont deux choses fort différentes, et  les résultats des études scientifiques peuvent être aisément  manipulés par les chercheurs.

L'observation par rapport à l'expérimentation

Prenons en considération un point important que les médias -ainsi que certains scientifiques - n'ont pas encore bien assimilé. Cette étude sur la viande est une étude standard observationelle, et non pas une expérience conduite dans un laboratoire ou une clinique, ou on change un paramètre spécifique pour étudier un lien entre une cause et un effet.

L'observation est effectivement  la premiere étape de la méthode scientifique, mais n'en est jamais la conclusion.
Le but de ce type d'étude n'est pas de créer des recommendations de santé, mais plutot de formuler des hypothèses qui pourront être ultérieurement  testées et répliquées dans un environnement controlé afin d'en comprendre les mécanismes. Tenter de trouver une preuve dans une étude observationelle et comme essayer de faire allaiter un pingouin. Ca ne se passera jamais.

Malgré cela, les médias ainsi que certains chercheurs, dans ce cas ci le chercheur principal Frank Hu clament haut et fort que "cette étude fournit une preuve claire que la consommation de viande rouge, particulièrement la viande transformée mène inéluctablement à un décès prématuré." malgré le fait que cette étude n'apporte aucun indice fiable. Seule une étude expériementale avec des variables et des paramètres controlés serait capable de prouver un lien de cause à effet.

L'hyper-extrapolation de cette étude n'est pas surprenante. Arriver à une conclusion expérimentale est le but non avoué de toute étude observationelle. Ce genre d'étude est une excellente dissertation sur des observations, mais dès que les auteurs ou les médias ajoutent un peu de maquillage,  toute crédibilité scientifique s'évapore.

Les questionnaires de recherche: un test d'honnèteté et de mémoire surhumaine

Regardons comment cette étude a été réalisée. Les chercheurs ont donné aux participants un questionnaire leur demandant d'indiquer à quelle fréquence ils consomments certains aliments, ces questionnaires couvrant chacun une durée de quatre ans, depuis 1980 et se terminant en 2006 (vous pouvez consulter ce questionnaire ici si vous en avez le courage et vous imaginer comment le commun des mortels répondra a ces questions)
Voici quelques détails supplémentaires
In each FFQ, we asked the participants how often, on average, they consumed each food of a standard portion size. There were 9 possible responses, ranging from “never or less than once per month” to “6 or more times per day.” Questionnaire items about unprocessed red meat consumption included “beef, pork, or lamb as main dish” (pork was queried separately beginning in 1990), “hamburger,” and “beef, pork, or lamb as a sandwich or mixed dish.” … Processed red meat included “bacon” (2 slices, 13 g), “hot dogs” (one, 45 g), and “sausage, salami, bologna, and other processed red meats” (1 piece, 28 g). 
Dans chaque questionnaire nous avons demandé aux participants à quelle fréquence ils ont en moyenne consommé chaque aliment par portion standard. Il y a neuf réponses possibles, allant de "jamais ou moins d'une fois par semestre" jusque "six fois ou plus par jour".Les questions sur la consommation de viande incluent  le boeuf, le porc ou l'agneau comme plat principal (le porc était séparé avant 1990), le hamburger et le boeuf ou le porc dans un sandwich ou plat mixte. Les viandes transformées reprennent le bacon, les hot dogs, les saucisses, salamis et autres viandes transformées.
Vous aurez remarqué que dans la catégorie "viandes non transformés" se trouve le hamburger, l'aliment star des fast foods. Bien que cette étude suivait également la consommation de grains entiers, il n'y a aucun suivi de la consommation de graines et de farines raffinées, donc nous ne pouvons pas prendre en considération la consommation des pains autour des hamburgers. 
Ensuite la perle suivante:
The reproducibility and validity of these FFQs have been described in detail elsewhere. 
La reproductibilité et la validité de ces quesqionnaires a été décrite en détail autre part.
Toute personne vivant sur cette planète depuis un certain temps sait que s'attendre à ce que les gens soient honnètes à rapporter ce qu'ils consomment est similaire à ces publicités 'perdez 15kg en une semaine'. L'intention est mignonne, mais la réalité toute autre. Depuis que ce genre de questionnaire est utilisé, la plupart des chercheurs sincères ont mis en exergue leur plus grand défaut: les gens inscrivent ce qu'ils pensent qu'ils devraient manger, plutot que ce qui est réellement passé par leur gosier.  
Et d'autre part la plupart des gens ont oublié ce qu'ils ont mangé le jour précédent, alors leur demander ce qu'ils ont mangé il y a un mois ou un an est assez utopiste.
Les chercheurs plus consciencieux compareront les résultats de ces questionnaires avec un journal de bord diététique, ou il est demandé aux participants de noter méticuleusement ce qu'ils consomment pendant une ou deux semaines, afin de comparer les deux approches. Cela commence à devenir intéressant lorsqu'on lit ce qui suit:

Foods underestimated by the FFQs compared with the diet records (ie, the gold standard) included processed meats, eggs, butter, high-fat dairy products, mayonnaise and creamy salad dressings, refined grains, and sweets and desserts, whereas most of the vegetable and fruit groups, nuts, high-energy and low-energy drinks, and condiments were overestimated by the FFQs

Les aliments sous estimés dans les questionnaires par rapport au journal sont les viandes transformées, les oeufs, le beurre, les produits laitiers, mayonnaises et vinaigrettes, les sucreries et les desserts, alors que les fruits et légumes, noix, boissons énergisantes ou pas et les condiments sont surestimés.

Cela n'est pas si choquant si on considère la psychologie humaine. Nous sommes constamment innondés de messages nous disant que la viande, les graisses, les sucreries et les desserts nous ferront grossir ou provoqueront une crise cardiaque tandis que les fruits et légumes voguent sur un air de Sainteté. Il est assez logique que cela aura comme effet de biaiser nos réponses.Qui voudra admettre qu'il a préféré du pain blanc à la place de pain qui a un gout et une texture de sciure de bois. Les résultats seraient intéresants si l'on introduisait un polygraphe lors de la rédaction du questionnaire.

Une autre étude, faite en Australie a mésuré la manière dont les gens rapportent leur consommation sur un questionnaire, basé sur leur age, index de masse corporelle, consommation de suppléments,.. etc Cette étude a également comparé les données du questionnaire au journal
Le résultat est surprenant: les personnes souffrant d'un problème médical diagnostiqué - taux de cholesterol, triglicérides, diabète, tension arterielle, cancer, - sont plus susceptibles de mal rapporter leur consommation que les personnes sans problème médical, en effet ils surestiment leur consommation dans le questionnaire par rapport au journal.

Ce que cela signifie pour les études basées sur les questionnaires, études qui font la une des journaux, est que finalement, les résultats obtenus sont statistiquement plus probablement attribuables au hasard, car si les gens malades ont tendance -pour quelque raison que ce soit - d'indiquer qu'ils mangent plus que ce qu'ils ne consomment réellement, cela aura un impact profond sur toute manière de faire une corrélation entre la consommation d'un type d'aliment avec une pathologie spécifique.

Et la mortalité alors?
Ces chiffres jetés en pature aux médias sont des exemples classiques de facon de dramatiser des informations anodines en gros titres. Si le risque de décès lié à une pathologie spécifique est de disons 5%, l'augmentation du risque de 20% en fera un risque final de 6%. Cependant 20% imprimé en gros caractères  vendra plus de journaux...
Tant qu'aucune étude basée sur des données fiables ne soit réalisée, il est impossible de savoir avec certitude la vérité. Et souvenons nous que l'humainté a survécu pendant plusieurs millénaires sans études diététiques.

Le plus grand risque connu lié à la consommation de viande n'est pas du à la nature même de la viande, mais plutot à sa préparation. Il est bien connu qu'une viande cuite trop brutalement au barbecue contiendra une quantité non négligible d'amines hétérocycliques et de benzopyrènes, qui sont des familles de substances reconnues come cancérigènes par l'OMS. Et la viande hachée, y compris les hamburgers, sont un nid potentiel de bactéries pathogènes.

En conclusion

L'intention de l'étude est certes positive, mais je ne peux pas prendre au sérieux de telles conslusions hatives, surtout lorsqu'elles sont dramatisées et médiatisées à un tel point. Prenons comme habitude d'aiguiser notre esprit critique lorsque de telles informations sont présentées. Malgré les apparences les chasses aux sorcières et les procès d'intention sont toujours d'actualité dans notre civilisation.

Au fait, dans les conclusions de auteurs ils mentionnent 'protéines bonnes pour la santé'. Une telle déclaration est déjà un jugement, car il y a présupposition que certaines protéines sont "mauvaises".

Et suivez le conseil du regretté Mark Twain: Il y a trois types de mensonges: les mensonges, les foutus mensonges et les statistiques.