Pourquoi les bons repas de mamie refroidissent-ils si vite ?

La question

Voici une de ces questions existentielles de notre quotidien pour laquelle la physique fournit une réponse. La physique ? Ça va être compliqué alors ? Rassurez vous, nous irons doucement et à condition de bien tout lire pour ne pas en louper des bouts, vous comprendrez pourquoi les pâtes refroidissent plus vite que la soupe...mais moins vite que le riz, et dans l'absolu, pourquoi un plat -ou un bain-, préparé avec autant d'amour refroidit-il si vite ?
plat chaud

La réponse

Pour comprendre pourquoi un plat de pâte refroidit plus vite qu'une soupe, il nous faut considérer quelques définitions: qu'est-ce qu'être chaud et qu'est-ce que refroidir!
 
Qu'est-ce qu'être chaud ?
Si votre soupe ou vos pâtes sont chaudes, cela signifie que leur température est élevée. La température se mesure en degré Celsius ou Kelvin et est en réalité la mesure de l’agitation thermique des particules du corps considéré. En clair ? Pour tout corps (= matériau à l’état liquide, solide ou gazeux), ses molécules se déplacent sans cesse dans tous les sens. A notre échelle, nous voyons un corps au repos mais à l’échelle microscopique, les molécules se baladent aléatoirement dans le corps. On appelle ce mouvement le mouvement Brownien. Plus le mouvement de ses molécules est rapide, plus l’on dit que ce corps a une température élevée ou encore qu'il a une énergie interne importante.
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Dans la vie de tous les jours, nous employons le mot chaleur pour désigner la température. C’est faux ! Quelle est la chaleur du four ou du sèche-linge devrait être Quelle est la température du four ou du sèche-linge. Le mot chaleur est synonyme en physique de transfert thermique. Sous ce terme compliqué on désigne simplement l’échange d’énergie entre deux corps.
Qu'est-ce que refroidir ?
L'air de rien, nous venons de définir refroidir. Dire d’un corps qu’il refroidit, c’est dire que sa température diminue et donc qu’il a donné son énergie interne à un autre. Notons que l’énergie ne disparait pas, elle est simplement transférée d’un corps à un autre. En refroidissant, vos pâtes ou votre soupe donnent leur énergie au bol ou à l’assiette (qui deviennent chaud à leur tour) et à l’air ambiant (mettez votre main au dessus du bol de soupe : c’est chaud !)
 
Error
Le Saviez-vous ?
Un corps ne refroidit jamais un autre ! Le transfert thermique s'effectue toujours du corps le plus chaud vers le corps le plus froid. Un glaçon ne refroidit donc pas une boisson; c’est la boisson qui chauffe le glaçon. La conséquence est cependant la même : réchauffer le glaçon c’est lui céder de l’énergie, du coup, la température de la boisson diminue.
 
Votre bol de soupe ou votre plat de pâte refroidit de trois façons différentes en-même temps. En effet, le transfert thermique s’effectue de trois manières différentes : conduction, convection et rayonnement.
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La conduction, c’est le transfert thermique entre deux corps s’effectuant par contact. Les molécules du corps chaud se déplaçant plus vite, elles choquent les molécules du corps froid qui acquièrent de l’énergie et se mettent à bouger à leur tour. Au billard, la vitesse de la canne projette la boule blanche qui se met à rouler. Celle-ci tape dans une autre boule et lui transfert suffisamment d’énergie pour qu'elle se mette en mouvement. Pour les molécules, c’est pareil. Les molécules de soupe en contact avec celles du bol les mettent en mouvement : le bol devient chaud et la soupe refroidit.
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La convection, c’est l’échange d’énergie accompagnant la mise en mouvement d’un fluide (liquide ou gaz). Votre soupe ou votre plat de pâte réchauffe l’air au-dessus de l’assiette. L’air chaud monte et de l’air froid prend sa place, à nouveau chauffé par la soupe ou les pâtes. Il se crée un phénomène convectif : de minis tourbillons d’air apparaissent au-dessus de votre plat.
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Le rayonnement : tout corps chaud émet un rayonnement électromagnétique. Plus concrètement, un corps chaud émet de la lumière (comme une ampoule). Si votre soupe ou vos pâtes ne s’allument pas, c’est que très peu de matériaux peuvent émettre de la lumière dans le domaine du visible ! En revanche tous émettent des infrarouges. C’est le principe de la vision nocturne : plutôt que de capter la lumière visible réfléchie par les objets, le capteur reçoit l’infrarouge émis par l'objet. Votre soupe chaude apparaîtra alors beaucoup plus lumineuse que la table.
Bon, ce n’est pas le tout mais il faut désormais comprendre pourquoi les pâtes se refroidissent moins vite que la soupe ! Pour cela, il suffit d’observer les termes qui entrent en jeu dans le transfert thermique pour chaque cas.
 
Que trouve-t-on ? Que la surface du corps, sa chaleur massique et sa conductibilité thermique sont les facteurs déterminant de sa vitesse de refroidissement. Un même volume présentant une surface plus grande refroidira donc plus vite. C’est pour cela qu’étaler sa purée accélère son refroidissement. C’est aussi la raison pour laquelle le riz, présentant une plus grande surface à l’air refroidit plus vite que les pâtes, qui elles-mêmes refroidissent plus vite que la soupe, dont la surface est horizontale.
 
Quid des derniers paramètres ? La chaleur massique, c’est la quantité d’énergie qu’il faut apporter à un kilo du matériau pour élever sa température de un degré. Pour l’eau, cette chaleur massique est très importante, plus que pour l’huile. Conclusion, il faut plus d’énergie pour faire bouillir de l’eau que de l’huile, mais celle-ci acquièrent plus d’énergie. Elle peut donc rester chaude plus longtemps que l’huile. Ce paramètre est cependant modulé par la conductibilité thermique qui est la facilité qu’a le matériau de transmettre son énergie thermique. Le métal par exemple conduit mieux la chaleur que l’eau : votre bain est froid à l’autre bout de la baignoire et chaud sous le robinet à cause de la chaleur massique de l'eau, en revanche le manche métallique de la casserole, lui, est chaud même s’il n’est pas sur le feu à cause de la conductivité thermique du métal.
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Devinez alors : qui refroidit le plus vite ? Les pâtes carbos ou les pâtes bolos.....?
Ce sera bien-sûr les pâtes carbonara, plus riches en graisses que les pâtes bolognaises dont la sauce tomate est gorgée d’eau.
 
En résumé...
 
Trois paramètres influencent la vitesse à laquelle un plat, corps ou objet refroidit:
1- sa surface: plus la surface est grande, plus l'échange thermique est favorisé et plus l'objet refroidit. Un plat de riz a plus de surface qu'une soupe: il refroidit plus vite.
2- sa chaleur massique: c'est à dire la quantité d'énergie qu'il faut pour augmenter la température d'un kilo de l'objet de un degré. Plus cette  chaleur massique est grande, plus l'objet est capable d'emmagasiner de l'énergie... et donc de refroidir lentement. L'eau refroidit plus lentement que l'huile pour cette raison.
3 - sa conductivité thermique: si l'objet conduit bien ou non la chaleur. Une casserole est en métal car elle transférera plus rapidement sa température que si elle était en un autre matériau.
 
Pour refroidir, un objet a trois solutions:
1- la conduction: l'objet transfert son énergie à un autre par contact. Les pâtes donnent de l'énergie à l'assiette. Elles refroidissent et l'assiette se réchauffe.
2- la convection: un fluide (gaz ou liquide) en mouvement facilite le transfert thermique. Souffler sur la soupe ou passer la casserole sous l'eau facilite le refroidissement.
2- le rayonnement: tout objet émet de la lumière infrarouge. Plus l'objet est chaud plus il émet d'infrarouge (invisible à l'oeil nu). Il dépense pour cela de l'énergie et refroidit donc.
 
 
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