Étude de la cocotte-minute

Exercice : Étude de la Cocotte-Minute

Étude de la Cocotte-Minute

Comprendre le principe de fonctionnement de la cocotte-minute et calculer des grandeurs physiques associées.

La cocotte-minute (ou autocuiseur) est un ustensile de cuisine qui permet de cuire les aliments plus rapidement qu'à l'air libre. Son principe repose sur l'augmentation de la pression à l'intérieur du récipient hermétiquement fermé, ce qui élève la température d'ébullition de l'eau.

La pression \(P\) est la force \(F\) exercée par unité de surface \(A\) :

\[ P = \frac{F}{A} \quad \text{donc} \quad F = P \times A \]

La pression absolue (\(P_{abs}\)) à l'intérieur de la cocotte est la somme de la pression atmosphérique (\(P_{atm}\)) et de la pression relative (ou manométrique, \(P_{rel}\)) due à la vapeur :

\[ P_{abs} = P_{atm} + P_{rel} \]

La pression relative est la surpression par rapport à la pression atmosphérique.

Données du Problème

On étudie une cocotte-minute :

  • Volume intérieur : \(V = 6.0 \text{ L}\)
  • Pression atmosphérique normale : \(P_{atm} = 1.0 \times 10^5 \text{ Pa}\) (Pascals)
  • La soupape de sécurité est conçue pour s'ouvrir lorsque la pression relative à l'intérieur atteint \(P_{rel,max} = 0.8 \times 10^5 \text{ Pa}\).
  • L'aire de la surface intérieure du couvercle : \(A_{couvercle} = 350 \text{ cm}^2\)
  • À la pression atmosphérique, l'eau bout à \(100 \text{ }^\circ\text{C}\).
  • Lorsque la soupape de sécurité fonctionne, la température d'ébullition de l'eau à l'intérieur est d'environ \(117 \text{ }^\circ\text{C}\).
Cocotte-Minute Soupape
Schéma simplifié d'une cocotte-minute.

Questions

  1. Convertir le volume \(V\) de la cocotte-minute en mètres cubes (\(m^3\)). (Rappel : \(1 \text{ L} = 1 \text{ dm}^3 = 10^{-3} \text{ m}^3\))
  2. Convertir l'aire \(A_{couvercle}\) du couvercle en mètres carrés (\(m^2\)). (Rappel : \(1 \text{ m}^2 = 10^4 \text{ cm}^2\))
  3. Lorsque la soupape de sécurité fonctionne, quelle est la pression absolue \(P_{abs}\) à l'intérieur de la cocotte-minute en Pascals (Pa) ?
  4. Calculer la force totale \(F_{int}\) exercée par la vapeur sur la surface intérieure du couvercle lorsque la soupape de sécurité fonctionne.
  5. Calculer la force totale \(F_{ext}\) exercée par l'air atmosphérique sur la surface extérieure du couvercle.
  6. En déduire la force résultante nette \(F_{nette}\) qui tend à soulever le couvercle.
  7. Expliquer qualitativement pourquoi les aliments cuisent plus rapidement dans une cocotte-minute que dans une casserole ouverte à l'air libre.

Correction : Étude de la Cocotte-Minute

1. Conversion du Volume \(V\) en \(m^3\)

On utilise la relation \(1 \text{ L} = 10^{-3} \text{ m}^3\).

Donnée : \(V = 6.0 \text{ L}\).

\[ V = 6.0 \text{ L} \times 10^{-3} \frac{\text{m}^3}{\text{L}} \] \[ V = 6.0 \times 10^{-3} \text{ m}^3 \]

Le volume de la cocotte-minute est \(V = 6.0 \times 10^{-3} \text{ m}^3\).

2. Conversion de l'Aire \(A_{couvercle}\) en \(m^2\)

On utilise la relation \(1 \text{ m}^2 = 10^4 \text{ cm}^2\), donc \(1 \text{ cm}^2 = 10^{-4} \text{ m}^2\).

Donnée : \(A_{couvercle} = 350 \text{ cm}^2\).

\[ A_{couvercle} = 350 \text{ cm}^2 \times 10^{-4} \frac{\text{m}^2}{\text{cm}^2} \] \[ A_{couvercle} = 350 \times 10^{-4} \text{ m}^2 \] \[ A_{couvercle} = 0.0350 \text{ m}^2 \]

L'aire du couvercle est \(A_{couvercle} = 0.0350 \text{ m}^2\).

Quiz Intermédiaire

Question : Pour convertir des millimètres carrés (mm²) en mètres carrés (m²), par quel facteur faut-il multiplier ?

3. Calcul de la Pression Absolue \(P_{abs}\)

On utilise la formule \(P_{abs} = P_{atm} + P_{rel,max}\).

Données : \(P_{atm} = 1.0 \times 10^5 \text{ Pa}\), \(P_{rel,max} = 0.8 \times 10^5 \text{ Pa}\).

\[ P_{abs} = (1.0 \times 10^5 \text{ Pa}) + (0.8 \times 10^5 \text{ Pa}) \] \[ P_{abs} = (1.0 + 0.8) \times 10^5 \text{ Pa} \] \[ P_{abs} = 1.8 \times 10^5 \text{ Pa} \]

La pression absolue à l'intérieur est \(P_{abs} = 1.8 \times 10^5 \text{ Pa}\).

4. Calcul de la Force Intérieure \(F_{int}\) sur le Couvercle

On utilise la formule \(F = P \times A\), avec la pression absolue intérieure.

Données : \(P_{abs} = 1.8 \times 10^5 \text{ Pa}\), \(A_{couvercle} = 0.0350 \text{ m}^2\).

\[ F_{int} = P_{abs} \times A_{couvercle} \] \[ F_{int} = (1.8 \times 10^5 \text{ Pa}) \times (0.0350 \text{ m}^2) \] \[ F_{int} = 6300 \text{ N} \]

La force exercée par la vapeur sur l'intérieur du couvercle est \(F_{int} = 6300 \text{ N}\).

Quiz Intermédiaire

Question : Si la pression double et que la surface reste la même, comment la force exercée sur cette surface évolue-t-elle ?

5. Calcul de la Force Extérieure \(F_{ext}\) sur le Couvercle

Cette force est due à la pression atmosphérique agissant sur la surface extérieure du couvercle.

Données : \(P_{atm} = 1.0 \times 10^5 \text{ Pa}\), \(A_{couvercle} = 0.0350 \text{ m}^2\).

\[ F_{ext} = P_{atm} \times A_{couvercle} \] \[ F_{ext} = (1.0 \times 10^5 \text{ Pa}) \times (0.0350 \text{ m}^2) \] \[ F_{ext} = 3500 \text{ N} \]

La force exercée par l'air extérieur sur le couvercle est \(F_{ext} = 3500 \text{ N}\).

6. Force Résultante Nette \(F_{nette}\) sur le Couvercle

La force nette est la différence entre la force intérieure et la force extérieure. C'est cette force qui tend à soulever le couvercle.

\[ F_{nette} = F_{int} - F_{ext} \] \[ F_{nette} = 6300 \text{ N} - 3500 \text{ N} \] \[ F_{nette} = 2800 \text{ N} \]

Alternativement, on peut calculer la force nette en utilisant la pression relative : \(F_{nette} = P_{rel,max} \times A_{couvercle}\).

\[ F_{nette} = (0.8 \times 10^5 \text{ Pa}) \times (0.0350 \text{ m}^2) \] \[ F_{nette} = 2800 \text{ N} \]

La force résultante nette qui tend à soulever le couvercle est \(F_{nette} = 2800 \text{ N}\).

7. Explication de la Cuisson Rapide

La cuisson des aliments dépend de la température.

Dans une casserole ouverte, l'eau bout à environ \(100 \text{ }^\circ\text{C}\) (à la pression atmosphérique normale). La température de l'eau liquide ne peut pas dépasser cette valeur tant qu'il y a de l'eau liquide.

Dans une cocotte-minute, le couvercle hermétique permet à la pression d'augmenter à l'intérieur. L'augmentation de la pression a pour effet d'élever la température d'ébullition de l'eau. Dans cet exercice, l'eau bout à \(117 \text{ }^\circ\text{C}\) lorsque la soupape fonctionne.

Comme les aliments sont cuits à une température plus élevée (\(117 \text{ }^\circ\text{C}\) au lieu de \(100 \text{ }^\circ\text{C}\)), les réactions chimiques de cuisson se produisent plus rapidement. C'est pourquoi les temps de cuisson sont réduits.

Les aliments cuisent plus vite car l'augmentation de la pression dans la cocotte-minute élève la température d'ébullition de l'eau, permettant une cuisson à plus haute température.

Quiz : Testez vos connaissances !

Question 1 : L'unité SI de la pression est :

Question 2 : Dans une cocotte-minute, la température d'ébullition de l'eau est :

Question 3 : La pression relative (ou manométrique) est :

Question 4 : Si l'aire d'un couvercle est de \(0.02 \text{ m}^2\) et que la pression relative à l'intérieur est de \(10^5 \text{ Pa}\), la force nette tendant à soulever le couvercle est de :

Glossaire des Termes Clés

Pression (\(P\)) :

Force exercée par unité de surface. Unité SI : Pascal (Pa).

Pression Atmosphérique (\(P_{atm}\)) :

Pression exercée par l'air de l'atmosphère terrestre. Varie avec l'altitude et les conditions météorologiques. Valeur standard au niveau de la mer : environ \(1.013 \times 10^5 \text{ Pa}\).

Pression Absolue (\(P_{abs}\)) :

Pression totale par rapport au vide absolu. C'est la pression utilisée dans la plupart des lois physiques (ex: loi des gaz parfaits).

Pression Relative (Manométrique) (\(P_{rel}\)) :

Différence entre la pression absolue et la pression atmosphérique ambiante. C'est la pression mesurée par la plupart des manomètres.

Force (\(F\)) :

Action mécanique capable de modifier l'état de mouvement ou de repos d'un corps, ou de le déformer. Unité SI : Newton (N).

Température d'Ébullition :

Température à laquelle un liquide passe à l'état gazeux (vapeur) sous une pression donnée. Elle dépend de la pression.

Soupape de Sécurité :

Dispositif conçu pour libérer la pression d'un système si celle-ci dépasse une valeur prédéterminée, afin d'éviter une surpression dangereuse.

Questions d'Ouverture ou de Réflexion

1. Pourquoi le couvercle d'une cocotte-minute doit-il être particulièrement robuste et bien scellé ?

2. Recherchez comment fonctionne la soupape tournante (ou le "sifflet") d'une cocotte-minute. Quel est son rôle en plus de la sécurité ?

3. Si on emmenait une cocotte-minute en haute montagne où la pression atmosphérique est plus faible, comment cela affecterait-il son fonctionnement et la température de cuisson ?

4. La relation entre la pression de vapeur saturante de l'eau et la température n'est pas linéaire. Comment cette caractéristique est-elle exploitée dans la cocotte-minute ?

5. Quels sont les avantages et les inconvénients de la cuisson sous pression par rapport à d'autres méthodes de cuisson (ex: four, micro-ondes, cuisson à la vapeur à l'air libre) ?

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