1L : Physique et chimie dans la cuisine Chapitre.1 : Cuisine et changements d état I. Changements d état et température 1. Définition : Le changement d état d un corps est son passage d un état physique (Solide, liquide ou gazeux) à un autre. 2. Différents changements d état : On notera l état solide (S), l état liquide (L) et l état gazeux (G). Sublimation (S) Solidification Fusion (L) Vaporisation Liquéfaction (ou condensation) (G) Condensation à l état solide 3. Températures de changements d état d un corps 3.1 : Changement d état d un corps pur (l eau distillée) Activité.1 : Changement d état d un corps pur (l eau distillée) Réaliser l expérience suivante : Plonger une sonde thermométrique dans un mélange de glace pilée et d eau distillée (corps pur). Attendre la stabilisation de la température, et la relever : θ = 0 C Sonde thermométrique C Glace pilée Eau distillée Quel changement d état se produit-il dans le bécher? La glace fond progressivement : c est une fusion Au cours de changement d état, suivre l évolution de la température. Que constatez-vous lors de ce changement d état? Au cours de la fusion de la glace la température ne varie pas (0 C). Activité.2 : Réaliser l expérience suivante : Plonger la sonde thermométrique dans un bécher contenant de l eau distillée (corps pur). Introduiser rapidement le bécher dans un mélange réfrigérant (1/3 gros sel 2/3 glace pilée). Sonde thermométrique C Eau distillée Mélange réfrigérant : 1/3 gros sel et 2/3 glace pilée Suivre l évolution de la température au début de l expérience. Au début de l expérience la température augmente. Que se passe-t-il dans le bécher après quelques minutes? Après quelques minutes de la glace commence à se former progressivement. Quel changement d état se produit-il dans le bécher? L eau liquide passe à l état solide : c est une solidification. Au cours de changement d état, suivre l évolution de la température. Noter cette température : θ = 0 C Que constatez-vous lors de ce changement d état? Pendant toute la durée de la solidification, la température reste constante (0 C)
Synthèse : Complète les phrases suivantes : L eau distillée est un corps pur. Sa fusion et sa solidification se produisent à une température constante, cette température est de : θ = 0 C. Cette température s appelle : Température de solidification : on la note θ s (ou température de fusion notée θ f ). Activité.3 : Réaliser l expérience suivante : Plonger la sonde thermométrique dans un ballon contenant de l eau distillée, laisser stabiliser la température et la noter : C Eau distillée Chauffe-ballon Allumer le chauffe-ballon, et régler le thermostat au maximum. Suivre l évolution de la température pendant le chauffage. Quand l eau entre en ébullition, noter la température : θ = 100 C. Quel changement d état se produit-il dans le ballon? L eau passe de l état liquide à l état gazeux : c est une vaporisation (ou ébullition) Suivre l évolution de la température pendant ce changement d état. Que constatez-vous? Pendant toute la durée de la vaporisation (ou ébullition) la température reste constante (0 C) Synthèse : Complète les phrases suivantes : L eau distillée est un corps pur. Sa vaporisation (ou ébullition) se produit à une température constante, cette température est de : θ = 100 C. Cette température s appelle : Température de vaporisation (ou température d ébullition) : on la note θ éb. 3.2 : Généralisation : Complète la phrase suivante : Le changement d état d un corps pur se fait à température constante. 3.3 : Changement d état d un mélange Réaliser l expérience suivante : Plonger une sonde thermométrique dans un mélange de glace pilée (2/3), d eau distillée et de gros sel (1/3). Suivre l évolution de la température du mélange. Que deviennent les morceaux de glace pilée au cours du temps? Et le sel? Les morceaux de glace fondent progressivement. Le sel se dissout dans l eau. Attendre la stabilisation de la température, et la noter : θ = - 10 C Observer les parois du bécher, que constatez-vous? Du givre se forme sur les parois du bécher. Sonde thermométrique C Glace pilée (2/3) Eau distillée Sel (1/3)
Synthèse : Complète les phrases suivantes : La glace pilée et le gros sel forme un mélange. Au cours de la fusion de ce mélange la température ne reste pas constante. 3.4 : Généralisation : Complète la phrase suivante : Le changement d état d un mélange ne se fait à température constante. II. Changement d état et pression : Activité.1 : Expérience au bureau (Le bouillon de Franklin) Peut-on faire bouillir de l eau grâce à de la glace? La réponse semble évidente : Non. L expérience du bouillon de Franklin démontre le contraire : on porte à ébullition de l eau distillée dans un ballon, et on note la température d ébullition, sous pression atmosphérique (θ = 100 C). Quand l eau bout fort, on arrête le chauffage, et on ferme le ballon. On attend quelques minutes, on relève la température (θ = 87 C), puis on place de la glace à l extérieur du ballon. C C Chauffe-ballon Eau distillée Glace Que constatez- vous? L eau contenue dans le ballon reprend son ébullition. Quand on applique la glace sur la ballon, la vapeur d eau à l intérieur du ballon subit un changement d état. Lequel? Expliquer. La vapeur d eau contenue dans le ballon se condense, elle passe à l état liquide. Ce changement d état entraîne une baisse de la pression à l intérieur du ballon. Expliquer pourquoi l ébullition de l eau reprend, alors que la température est inférieure à 100 C. La pression à l intérieur du ballon diminue, à cette pression l eau bout à une température inférieure à 100 C. En altitude, la pression atmosphérique diminue, que devient alors la température d ébullition de l eau pure? Quand la pression atmosphérique diminue, la température d ébullition de l eau diminue, et inversement. Synthèse : Complète les phrases suivantes : L ébullition de l eau pure dépend de la pression. Quand la pression diminue, la température d ébullition de l eau diminue, et inversement. A pression atmosphérique normale, la température d ébullition de l eau pure est égale à θ éb = 100 C Activité.2 : La température et la pression sont mesurées dans une cocotte minute contenant de l eau pure, placée sur une plaque électrique, La soupape de sécurité étant mise. La rotation de la soupape commence à t = 200 s.
1L : Cuisine et changements d état 3/8 On obtient les deux graphiques θ = f(t) et P = f(t) suivants : Température θ ( C) Pression P (x10 3 hpa) : Pression P : Température θ 2 140 120 100 80 60 40 20 1 100 200 300 Temps (s) Variation de la température et de la pression dans une cocotte minute lors de l ébullition de l eau Comment évolue la température de l eau au cours de l ébullition? Cette température reste constante. Quelle est la valeur de cette température d ébullition θ éb? Et sous quelle pression P? D après le graphique ci-dessus, cette température d ébullition est θ éb = 117 C à une pression P = 1,6.10 3 hpa Complète la phrase suivante : Dans une cocotte minute l eau entre en ébullition à une température supérieure à 100 C, car la pression à l intérieur est supérieure à la pression atmosphérique. Application : Cuisson des aliments L ébullition (apparition des bulles) est une vaporisation interne d un liquide, alors que l évaporation est une vaporisation en surface. Certains aliments sont cuits dans l eau en ébullition. Dans une cocotte minute comme dans un autocuiseur, la cuisson sous pression des aliments est plus courte, car la température est plus haute. III. Changement d états et échange de chaleur 1. Evaporation : Activité Appliquons un coton imbibé d éther sur le réservoir d un thermomètre. Notons la modification de température. De même si l on enveloppe une bouteille avec du papier mouillé et si l on provoque l évaporation de l eau, il se produit une baisse de température du liquide contenu dans la bouteille. Ce phénomène est général : tout système siège d une vaporisation reçoit de l énergie du milieu extérieur en contact, la température de ce milieu s abaisse.
2. Sublimation : Le dioxyde de carbone solide, appelé carboglace peut être conservé sous forme de sticks dans un container de polystyrène. Sa température est alors, sous pression ordinaire de 78,5 C. Mettons dans un bécher un petit volume de carboglace. Celle-ci se transforme en dioxyde de carbone vapeur. Cette transformation est appelée une sublimation. Des expériences complémentaires montrent que le système siège d une sublimation reçoit de l énergie de la part du milieu extérieur en contact avec lui. 3. Fusion : Toute fusion nécessite de la chaleur qui provient du milieu extérieur. Le changement d état solide/liquide du système, provoque donc un refroidissement du milieu extérieur en contact avec le système. IV. Techniques de conservation utilisant des changements d état 1. Réfrigération et congélation : Sur un catalogue de vente par correspondance on peut lire le texte suivant sur «le langage des étoiles». Pas d étoile (0 C) : sert uniquement à la production de glaçons. Une étoile (* : - 6 C) : permet la conservation des surgelés pendant 2 ou 3 jours. Deux étoiles (** : -12 C) : production de glaçons et conservation de produits surgelés pendant 2 à 3 semaines. Trois étoiles (*** : -18 C) : conservation des produits surgelés jusqu à la date optimale de conservation. Attention! Ces appareils ne peuvent pas servir à la congélation. Quatre étoiles (**** : -18 C) : permet la conservation des produits surgelés jusqu à la date optimale de conservation et la congélation domestique des aliments. Activité Indiquer si les affirmations suivantes sont vraies (V) ou fausses (F). a) Un appareil qui permet d abaisser la température à 18 C peut servir à congeler des aliments : c est un congélateur. Faux (pas toujours). b) Un réfrigérateur permet toujours la conservation des surgelés. Faux. c) Un congélateur conserve les surgelés jusqu à leur date optimale de conservation. Vrai. 2. Comment le réfrigérateur produit du froid? Voir schéma ci-dessous Un fluide circule dans circuit étanche (depuis 1996 ce fluide ne peut pas être un C.F.C (chlorofluorocarbone) car on soupçonne fortement ce type de composé organique d attaquer la couche d ozone). A l intérieur du réfrigérateur le fluide arrive sous forme d un liquide à basse pression. La température d ébullition de ce liquide est donc basse (-6 C) par exemple. Dans l évaporateur le fluide va passer de l état liquide à l état vapeur en absorbant de l énergie contenue dans l armoire frigorifique : les aliments se refroidissent. Dans le compresseur, alimenté par un moteur électrique, le gaz est comprimé. Sa pression augmente ainsi que sa température d ébullition qui peut par exemple devenir égale à 30 C. Dans le condenseur il se produit une liquéfaction, c est à dire une transformation du gaz en liquide ce qui libère l énergie dans le milieu extérieur. Dans le détendeur la pression du liquide diminue et le cycle recommence. Energie électrique Compresseur Energie Evaporateur Milieu extérieur Condensateur Energie Intérieur du réfrigérateur Fluide Détendeur Fluide
3. La lyophilisation : La lyophilisation ou séchage à froid, est un procédé permettant de retirer l eau d un produit afin de faciliter sa conservation. La lyophilisation utilise un principe physique simple appelé la sublimation. C est le passage direct d un élément de l état solide à l état gazeux sans passer par l état liquide. Dans le cas où l on désire retirer l eau des aliments l opération de lyophilisation consiste à : congeler les aliments en les portant à 40 C, l eau se transforme en glace soumettre l aliment à un vide partiel (pression inférieure à 6 mbar) et augmenter légèrement sa température (jusqu à 25 C), la glace est alors sublimée sous forme de vapeur d eau récupérer cette vapeur d eau lorsque toute la glace a disparu, laisser sécher à une température de 20-70 C pendant 2 à 6 heures ce qui permet d enlever l eau qui n était pas congelée. La lyophilisation est une technique intéressante car elle permet de conserver une grande partie des qualités des produits fragiles (médicaments, cosmétiques ). C est une technique coûteuse en énergie, elle est peu employée pour les aliments sauf pour le café et les aliments pour astronautes. V. Ce dont tu dois être capable : Reconnaître et nommer les changements d état d un corps pur. Distinguer ébullition et évaporation. Savoir que la température de changement d état d un corps pur dépend de la pression et qu elle est constante à pression constante. Savoir que la température d ébullition d un corps pur augmente avec la pression et inversement. Savoir que l évaporation et la fusion absorbent de l énergie sous forme thermique, ce qui se traduit par un refroidissement local, la solidification en libère. 1L : Cuisine et changements d état Exercices d application Exercice.1 : a) Qu est-ce que la sublimation? L ébullition? L évaporation? b) Quels changements d état refroidissent leur environnement? Pourquoi? c) La pression a-t-elle une influence sur la température de changement d état? d) Décrire le principe de la lyophilisation puis de l autocuiseur. a) La sublimation est le passage directe de l état solide à l état gazeux. L ébullition est le changement d état qui correspond au passage de l état liquide à l état gazeux. L évaporation est une vaporisation lente qui ne se passe qu à la surface du liquide, alors que l ébullition est une vaporisation issue de l intérieur du liquide. b) Certains changements d état refroidissent le milieu extérieur, c est le cas de la fusion et de l évaporation. Pour pouvoir se produire la fusion et l évaporation absorbe de l énergie au milieu environnant, sous forme thermique, cela se traduit par un refroidissement local. c) La pression influe sur la température de vaporisation (ou d ébullition). d) La lyophilisation consiste à déshydrater un produit à froid : on congèle le produit, puis par abaissement de la pression, on sublime la glace présente dans le produit. Dans l autocuiseur, on peut cuire sous haute pression et donc permettre de chauffer l eau contenue dans les aliments à des températures plus élevées que 100 C, d où une cuisson plus rapide. Exercice.2 : On réalise des expériences, sous pression atmosphérique, pour comparer la température de fusion de la glace et d un mélange réfrigérant composé, en proportions massiques, de 2/3 de glace et de 1/3 de sel. Expérience.1 : On place de la glace fondante dans un bécher et on mesure la température. Celle-ci se stabilise à 0 C. Expérience.2 : On place un mélange réfrigérant dans un bécher. On observe que la glace fond, le sel se dissout, le mélange devient complètement liquide. Les parois extérieures du bécher se couvrent de givre. On mesure température du mélange, on trouve 15 C. a) Le résultat de l expérience.1 était-il prévisible? b) A 15 C, dans quel état physique est l eau du mélange réfrigérant? Comparer la température de fusion de la glace pure à celle du mélange glace-sel de l expérience.2. c) Quels sont les deux systèmes qui échangent de l énergie dans l expérience.2? Pourquoi les parois extérieures du bécher se couvrent-elles de givre? d) Pourquoi l hiver répand-on du sel sur les routes verglacées?
a) Le résultat de l expérience n 1 était prévisible, cor on sait que la température de fusion de la glace est de 0 C, sous pression atmosphérique b) A -15 C, l eau salée du mélange réfrigérant est liquide. La température de fusion de l eau salée (mélange eau sel à l état solide) est inférieure à la température de fusion de la glace pure (0 C). c) Les deux systèmes qui échangent de la chaleur sont : La glace du mélange réfrigérant. L air dans la pièce où se déroule l expérience. La fusion de la glace nécessite un apport d énergie de la part du milieu extérieur (ici l air) sous forme de chaleur. Par conséquent, au niveau du verre du bécher, la température de l air baisse, et la vapeur d eau contenue dans l atmosphère se condense, d où l apparition de givre sur les parois du bécher. d) Le verglas est de l eau gelée, le mélange glace-sel est liquide à températures inférieurs à 0 C. Par conséquent, en mettant du sel sur des plaques de verglas, on obtient un mélange glace-sel qui reste liquide pour des températures très basses, il n y a pas formation de glace sur les routes, ce qui rend la circulation des véhicules plus facile et plus sûre. Exercice.3 : Dans certains pays du bassin méditerranéen, on fabrique des poteries non vernies, poreuses qui sont utilisées pour rafraîchir l eau. Pour comprendre ce phénomène, on réalise l expérience suivante : On enveloppe, avec un tissu trempé d eau, une bouteille remplie d une boisson et munie d une sonde thermométrique. On ventile l ensemble, on observe que la température de la boisson diminue. a) Avec quels systèmes le tissu trempé d eau échange-t-il de l énergie thermique? b) Quel est le changement d état subi par l eau du tissu? Pourquoi a-t-on ventilé l ensemble? c) Qu indique la baisse de température de la boisson contenue dans la bouteille? d) Expliquer alors comment une poterie poreuse permet de refroidir l eau. a) Le tissu imprégné d eau échange de l énergie thermique avec l air extérieur et la bouteille. b) L évaporation de l eau du tissu refroidit le tissu car une évaporation refroidit l environnement. Comme le tissu imbibé d eau et la bouteille échangent de l énergie, le refroidissement du tissu entraîne celui de la bouteille. La ventilation permet d accélérer l évaporation de l eau du tissu. c) La baisse de la température de la boisson contenue dans la bouteille indique que celle-ci a cédé de l énergie thermique à l extérieur. d) La poterie poreuse se comporte comme le tissu mouillé. En effet, l eau contenue dans la poterie va pouvoir se vaporiser près des parois poreuses de la poterie, entraînant le refroidissement de l air qui entoure la poterie, donc de l eau à l intérieur. Exercice.4 : L être humain a toujours séché les aliments. Dès la plus haute Antiquité, des grains, des fruits, des viandes, des poissons ont été séchés au soleil (dessiccation). Le principe de la lyophilisation, ou séchage à froid, consiste en une congélation du produit, une mise sous vide, puis une sublimation de la glace, et une récupération de la vapeur d eau formée. Le produit obtenu est alors sec. La lyophilisation comporte plusieurs avantages par rapport aux autres procédés de séchage ou de conservation, à part son coût élevée en dépense d énergie : Les caractéristiques organoleptiques (goût, odeur, couleur) des aliments sont conservées. Les aliments lyophilisés n ayant pas besoin d être conservés au froid, leur coût d entreposage et de transport sont diminués. Les aliments lyophilisés sont plus légers et moins encombrants. Leur utilisation est très simple, car ils se réhydratent facilement. a) Quel sont les changements d état qui interviennent lors d une lyophilisation? Dans quelles conditions de température et de pression ont-ils lieu? b) Enoncer trois raisons en faveur de l utilisation des aliments lyophilisés plutôt que frais. c) Cette technique est-elle employée pour beaucoup d aliments? Pourquoi? d) Comparer les techniques de dessiccation et lyophilisation. e) Donner des exemples d aliments lyophilisés? a) Les changements d état qui se produisent lors d une lyophilisation : la solidification de l eau liquide (à froid) et la sublimation de l eau solidifiée (à basse pression). b) Les aliments lyophilisés n ont pas besoin d être conservés à froid, ils sont plus légers et moins encombrants que les aliments frais.
c) Cette technique n est pas employé pour beaucoup d aliments, car son coût est élevé en dépense d énergie. d) La dessiccation est une déshydratation par vaporisation de l eau à haute température. La lyophilisation s effectue à basse température par solidification puis sublimation. e) Aliments lyophilisés : Soupes et plats déshydratés en sachets, cafés et laits en poudre.è Exercice.5 : Pour chaque situation qui suit, indiquer le changement d état subi par l eau : a) On fait sécher du linge à l air libre. b) Après une douche bien chaude, de la buée se forme sur le miroir de la salle de bains. c) L hiver, du verglas se forme sur les routes. d) Des bulles apparaissent dans l eau quand on la fait chauffer. e) On congèle une soupe. f) On place une bouteille d eau au réfrigérateur. g) On transforme la glace d un aliment congelé en vapeur d eau sous basse pression, lors d une lyophilisation. a) C est la vaporisation (évaporation) : l eau passe de l état liquide à l état gazeux. b) C est la condensation : l eau passe de l état gazeux à l état liquide. c) C est la solidification : l eau passe de l état liquide à l état solide. d) C est la vaporisation (ébullition) e) C est la solidification f) C est une réfrigération, qui n est pas un changement d état de l eau. g) C est une sublimation : l eau passe de l état solide à l état gazeux. Exercice.6 : Au niveau de la mer, l eau bout à 100 C. En haut du Mont Blanc (4 807 m), elle bout à 85 C. En haut du Mont Everest (8 848 m), elle bout à 72 C. Dans l espace, à 50 km d altitude, l eau bouillerait à 20 C. a) Qu est-ce qu une ébullition? Quelle est la différence avec l évaporation? b) Comment varie la pression en fonction de l altitude. c) Comment varie la température d ébullition de l eau en fonction de la pression? d) Pour un même résultat, la durée de cuisson d un œuf à la coque en altitude est-il plus longue, ou plus courte qu au niveau de la mer? Pourquoi? e) Comment peut-on obtenir de l eau encore liquide à 95 C en haut du Mont Blanc? a) L ébullition est une vaporisation de l eau contenue dans un corps. Elle se traduit par l apparition de bulles au sein du corps. L évaporation est une vaporisation qui s effectue en surface. b) La pression diminue quand l altitude augmente. c) La température d ébullition de l eau diminue quand la pression diminue, et vice versa. d) La durée de cuisson d un œuf à la coque en altitude est plus longue, qu au niveau de la mer, car la température d ébullition (donc de cuisson) en altitude est inférieure à la température d ébullition de l eau au niveau de la mer. e) Pour obtenir de l eau liquide à 95 C en haut du Mont Blanc (4 807 m), il faut faire chauffer l eau sous pression dans une cocotte minute. En effet, la pression étant plus forte dans la cocotte, la température d ébullition de l eau y est plus élevée, l eau reste liquide pour des températures supérieures à 95 C et même 100 C. Exercice.7 : La cocotte minute est une <<anti-montagne>>. Dans une cocotte minute l eau qui s évapore en début de cuisson augmente progressivement la pression dans la cocotte, de sorte que les molécules d eau sortent plus difficilement du liquide : la température d ébullition de l eau est ainsi augmentée. En pratique, les cocottes actuelles sont conçues pour que l eau y bouille à environ 130 C. D après Hervé This, Les secrets de la casserole, 1991. a) Pourquoi la température d ébullition de l eau est-elle supérieure à 100 C dans une cocotte minute? b) Obtiendrait-on le même résultat si on ne fermait pas la soupape de la cocotte? c) Quels sont les avantages d une cuisson à la cocotte minute? a) La température d ébullition de l eau dans une cocotte minute est supérieure à 100 C, car la pression y est plus élevée que la pression atmosphérique.
b) Si on ne ferme pas la soupape, la pression à l intérieur de la cocotte serait la même qu à l extérieur, donc égale à la pression atmosphérique, l eau bouillirait à 100 C. c) La température d ébullition de l eau contenue dans les aliments, dans une cocotte minute, est supérieure à 100 C. La cuisson est donc plus rapide. Exercice.8 : Les aliments (légumes, viandes ) peuvent être cuits au contact d un liquide (eau, bouillon, vin), sous pression, comme dans les autocuiseurs ou à pression ambiante, comme dans une simple casserole. Dans l autocuiseur, où ils sont en contact avec de l eau dans la quelle les sels minéraux et les vitamines qu ils contiennent peuvent se dissoudre, cette cuisson est rapide. En effet, elle s effectue à une température supérieure à 100 C. Cependant, il faut bien surveiller le temps des cuissons, sinon les aliments peuvent perdre leurs qualités nutritionnelles. Ils peuvent aussi être cuits à la vapeur, c est une variante de la cuisson à l eau, à ceci près, il n y a aucun contact avec le liquide. Les aliments sont posés sur un tamis, au dessus liquide chauffé, qui produit de la vapeur. Les aliments cuisent dans une atmosphère saturée de vapeur d eau, à une température égale ou supérieure à 100 C, selon que la cuisson se fait sous pression ou pas. Ce mode de cuisson respecte bien les qualités nutritionnelles des aliments, mais dans l ensemble les temps de cuisson sont assez longs, surtout si la cuisson se fait à pression ambiante. a) Quel est le changement d état de l eau qui intervient dans ces modes de cuisson? b) A pression ambiante, dans quel état physique se trouve l eau à une température de 95 C? de 110 C? c) Pourquoi, dans un autocuiseur, l eau demeure-t-elle liquide à une température supérieure à 100 C? d) Quel est le principal intérêt d une cuisson à la vapeur? Citer un inconvénient? e) Quel est le gros avantage de la cuisson à l autocuiseur? Citer un inconvénient. a) L eau passe de l état liquide à l état gazeux, c est donc une vaporisation. Comme cette vaporisation s effectue au sein du liquide, c est donc une ébullition. b) A pression ambiante l eau bout à 100 C. A 95 C, elle est donc liquide et à 110 C elle est gazeuse (vapeur d eau). c) La pression à l intérieur d un autocuiseur est supérieure à la pression atmosphérique, l eau bout alors à des températures supérieures à 100 C, de l ordre de 120 C. L eau reste alors liquide en dessous de cette température. d) Lors d une cuisson à la vapeur, les aliments ne sont pas en contact avec l eau, les vitamines et sels minéraux ne peuvent pas s y dissoudre : les aliments conservent leurs qualités nutritionnelles. e) La cuisson à l autocuiseur s effectue à forte pression, l eau contenue dans les aliments reste donc liquide à des températures supérieures à 100 C, ce qui permet de diminuer le temps de cuisson. Cependant, il faut bien surveiller les temps de cuisson, sinon les aliments peuvent perdre leurs qualités nutritionnelles.