Mijotage et rendement thermique

La majeure partie de la différence de rendement thermique entre une poterie en terre cuite (conducteur médiocre) et un métal (excellent conducteur) peut s’expliquer par la perte par convection, c’est à dire par le chauffage de l’air de la cuisine par les parois externes qui en retour se refroidissent. Bien entendu cette perte peut être annulée en plaçant le récipient dans une marmite norvégienne. A défaut notre cocotte se transforme en petit radiateur d’appoint, été comme hiver, de puissance variable suivant le matériau. Le refroidissement par convection naturelle ne dépend pas du matériau du récipient mais seulement de sa température extérieure et de celle de l’air ambiant, on prendra h=10 W.m-2.°C-1 et la perte s’exprime en watts (W) par :

Φ=h S (Text-Tair)

S est la surface des parois extérieures à la température Text. On prendra Tair=20°C.

Or pour maintenir constante la température du plat mijoté, ce refroidissement doit être compensé par un flux de chaleur de l’intérieur que l’on suppose à une température indépendante du matériau (autrement dit on contrôle la température du contenu) vers l’extérieur et c’est là où la nature du matériau intervient à travers sa conductivité thermique λ (cf. Wikipedia).

Φ=λ (Tint – Text) S/e

e est l’épaisseur des parois dont l’intérieur est à la température du contenu, Tint. En faisant l’égalité des 2 flux on en déduit l’expression de Text, connaissant Tint et Tair

Text=(Tint+Tair X)/(1+X) où X=he/λ

On voit immédiatement que plus la conductivité est forte plus la différence de température entre l’intérieur et l’extérieur des parois est faible. Et plus la conductivité est faible plus la température extérieure des parois se rapproche de celle de l’air ambiant ce qui minimise les pertes.

En prenant e=10mm pour la poterie et 2mm pour le métal, λ=1W m-1 K-1 et 40W m-1 K-1 pour les métaux courants (de 25 pour l’inox à 100 pour la fonte) on obtient X=0,1 pour la poterie tandis que X est de l’ordre de 0,0005 pour les métaux soit 200 fois plus faible. Autrement dit la conductivité des métaux (les différences entre fonte et l’inox s’effacent) est telle que la température extérieure est autant dire la même qu’à l’intérieur, comme on pouvait s’en douter intuitivement. Tandis que pour la poterie, pour une température intérieure de 90°C, Text=83,6°C, et pour 80°C, Text=74,5°C ; les transferts à travers les parois sont tellement lents que la température extérieure est nettement inférieure à la température interne (en pratique on note une différence plus importante). Par conséquent la perte par convection devient elle aussi sensiblement différente. Pour Tair = 20°C, d’après ce calcul simplifié, la perte par la poterie est d’environ 90% de celle des métaux à 80-90°C.

Mais d’après notre pratique sur plusieurs années, le remplacement d’une cocotte en fonte par une cocotte en terre noire se traduit par une diminution de 50% de la consommation d’énergie (gaz en bouteille ne servant qu’à la cuisine) pour un usage régulier sans être exclusif. Donc le calcul simplifié précédent est encore en-deçà de la réalité et a bien du mal à rendre compte de la complexité du rendement thermique. C’est aussi cet effet qui explique la capacité des cocottes en terre à maintenir leur contenu au chaud très longtemps après avoir été retiré du feu ou du four. Les récipients en fonte compensent leur générosité à chauffer l’air ambiant par leur poids élevé qui leur permet de stocker beaucoup d’énergie thermique, tandis que les récipients en inox haut-de-gamme, nettement plus légers que ceux en fonte, comptent sur l’énergie stockée dans leur épaisse semelle pour ralentir le refroidissement.

Enfin, au toucher les différences sont encore plus grandes. Pour cela on fait intervenir l’effusivité thermique pour calculer la température de contact. Pour une cocotte en terre ayant un contenu à 80°C et comme calculé ci-dessus une température extérieure de 74,5°C, les capteurs thermiques de notre peau vont détecter une température d’environ 63°C, c’est à dire encore supportable (pratiquement le seuil de la douleur), alors qu’avec le métal qui nous paraîtra être à seulement quelques degrés en-dessous de sa température réelle, c’est la brûlure garantie. Avec la poterie, les transferts thermiques sont suffisamment lents pour qu’en pratique on puisse la manipuler à la main sans se brûler. Ce qui bien sûr ne veut pas dire que l’on puisse la tenir en main indéfiniment !

Perception de la chaleur

Ôter le couvercle ou apporter la cocotte sur la table, à mains nues ou non, va dépendre de notre perception de la chaleur et non pas directement de la température des parties concernées. Sur une cocotte en fonte, très souvent la poignée du couvercle est en bakélite, un matériau isolant, comme les poignées de certaines  cocottes en inox par exemple. D’autres choisissent au contraire de les laisser brutes, dans le même matériau que la cocotte elle-même. Dans ce cas il faut absolument une paire de gants ou deux torchons. Avec la poterie, en règle générale on peut les toucher à main nues (sauf au sortir du four bien entendu !). En fait on peut même utiliser les mains en guise de thermomètre. Tant que le contact est supportable au moins quelques secondes c’est que la température ne dépasse pas le seuil de la douleur (vers 60°C). C’est le plus souvent le niveau de température qu’il s’agit de stabiliser. Cette propriété de la poterie est à rapprocher de notre sensation quand nous touchons, à température ambiante, une pièce métallique et un morceau de bois : le premier nous parait froid alors que le second nous parait presque chaud. Essayons d’y voir plus clair.

Pour assurer un fonctionnement normal, nous maintenons notre corps à la température interne de 37°C (environ) mais la température de notre peau varie de la tête au pied, au sens propre. Puisque ce sont les mains qui nous intéressent nous prendrons une température moyenne de 30°C, pour une température extérieure d’environ la moitié. Notre peau et nos muqueuses sont pourvues de capteur sensoriels qui nous informent d’une modification de température, que ce soit l’air ambiant, un liquide que nous buvons ou un solide que nous touchons. Mais cette information est biaisée par les propriétés de l’élément en question. Ainsi par exemple, la sensation de froid ou de chaud que ce soit à l’extérieur ou en intérieur dépend de l’humidité ambiante et du vent. C’est ce que traduit la notion subjective de « température ressentie » chère aux prévisions météorologiques. On trouvera de nombreux débats à ce sujet sur internet ; en ce qui concerne l’effet de l’humidité nous recommandons le site de linternaute. 

Lorsque nous touchons un objet plus froid ou plus chaud que notre peau, nos capteurs nous informent brièvement sur le signe de la différence de température et si l’écart est modéré on sait tout de suite si c’est « chaud » ou « froid » (en réalité nos capteurs peuvent être induits en erreur par une expérience amusante). Mais ce que nous évaluons avant tout c’est l’intensité du flux de chaleur qui s’écoule entre notre corps et l’objet touché, de manière à informer notre cerveau d’une éventuelle réaction immédiate à entreprendre en cas de danger ou d’une possible adaptation physiologique si la différence de température est supportable. Et c’est là où ça devient confus car à température donnée, notre réaction va dépendre de l’aptitude du matériau dont l’objet touché est composé à « pomper » notre chaleur ou au contraire à nous transmettre la sienne. C’est ce que l’on appelle l’effusivité thermique. Ainsi si nous touchons un objet à 70°C (la température de l’eau de votre chauffe-eau ; NB : à cette température il y risque de brûlure), suivant la nature du matériau la sensation de chaleur sera différente. A l’endroit du contact notre peau va se mettre à la température :

Tcontact=(Epeau Tpeau + Eobjet Tobjet) /(Epeau+Eobjet)

où Epeau et Eobjet sont respectivement les valeurs de l’effusivité thermique de notre peau et de l’objet. Epeau=400 J/K/m2/s1/2. Tpeau et Tobjet sont respectivement les températures de notre peau et de l’objet. Tpeau=30°C.

Considérons 4 récipients :

– en aluminium E=24000 Tcontact=69,35 °C

– en  fonte E=17500  Tcontact=69,1 °C

– en inox 18-10 E=7500 Tcontact=68 °C

– en terre cuite E=1100 Tcontact=59,3 °C

Ce calcul est très idéalisé bien sûr car il suppose un contact parfait et instantané, néanmoins il traduit bien les différences apparentes suivant les matériaux.

Nous pourrions à peine faire la différence entre l’aluminium et l’inox tant l’écart de température de contact est faible. Si le contact induit à coup sûr une brûlure avec les récipients métalliques (la réaction de recul sera immédiate, c’est le rôle de la douleur), le récipient en terre cuite paraîtra chaud bien sûr mais tout à fait supportable bien que l’on approche du seuil de la douleur. Attention, cela ne veut pas dire que vous pourriez tenir la dite cocotte pendant une heure sans éprouver de sensation de brûlure ! Car cette propriété ne fait que décrire le temps que met l’information sur la perception de la chaleur à se propager : de pratiquement immédiat pour les métaux à lent avec les matériaux isolants. Néanmoins, en pratique, même chaude, une poterie sera toujours plus facile à saisir à mains nues sans se brûler qu’un récipient métallique à la même température et c’est suffisant pour les manipulations les plus courantes y compris le service. Si on y ajoute le fait qu’en pratique la température de surface sera nettement plus basse dans le cas d’une poterie utilisée sur une source de chaleur, il est clair que la poterie constitue un bien meilleur plat de service que la fonte en réduisant sérieusement les risques de brûlures accidentelles tout en conservant mieux au chaud son contenu. Tous ceux qui un jour ont pris à mains nues une cocotte en fonte, oubliant qu’elle était chaude, s’en souviennent encore !