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Saturday, March 24th, 2007

Matériaux et température

Translation: [ Google | Babelfish ]

Categories: [ Science | Tea ]

Stéphane, auteur du blog Teamasters, a récemment acquis une théière en argent massif. Au vu de nombreuses personnes dubitatives quant à l'intérêt réel d'une théière de ce type, il a étudié le refroidissement de l'eau que l'on verse dans la théière, comparant argent, terre cuite et porcelaine. J'ai tenté aujourd'hui de reproduire l'expérience. Comme je n'ai pas de théière en argent (je ne suis pas encore fanatique à ce point), j'ai utilisé un gobelet en argent massif, un gaiwan blanc en porcelaine et un récipient gradué en inox. Les mesures sont faites sans couvercle.

Conditions initiales

  • température de la pièce (et donc des récipents) : 22 °C
  • température de l'eau au sortir de la bouilloire : 98 °C
  • volume d'eau : 1 dL

Résultats

Pour chaque récipient, on donne le matériau dans lequel il est fabriqué, la masse du-dit récipient, la chaleur massique du matériau, puis la température de l'eau au bout de 10 secondes, une minute et cinq minutes.

Matériau MasseChaleur massique10 s 60 s 300 s
Gaiwan Porcelaine 82 g1100 J/kg/K 86 °C81 °C66 °C
Mesure Inox 62 g 510 J/kg/K 94 °C87 °C70 °C
GobeletArgent 100 g 240 J/kg/K 91 °C86 °C72 °C

Discussion

Le thermomètre utilisé refroidit assez vite, mais se réchauffe plus lentement. Obtenir une mesure précise à 10 secondes est plutôt hasardeux s'il est plus froid que l'eau que l'on verse. J'ai donc décidé de le réchauffer dans la bouilloire (ce qui permet aussi de prendre la températude de l'eau « bouillante »), de le transférer rapidement dans le récipient, puis de verser l'eau par dessus. Par ailleurs, dix secondes est un laps de temps très proche de celui nécessaire au versement de l'eau, donc l'instant zéro est plutôt mal défini (sans compter que je n'ai que deux mains, donc tenir la bouilloire, le thermomètre et lancer le chronomètre en même temps est difficile).

On voit cependant dans les chiffres que l'acier inoxydable semble être un meilleur matériau que l'argent, mais la diffrérence importante de masse entre les deux récipients rend la comparaison assez difficile, étant donné qu'il faut aussi estimer la vitesse du transfert de chaleur entre l'eau et les différents matériaux, qui dépend des matériaux et de la surface d'échange entre eux. De plus, les récipients ayant des tailles différentes, il y a pour chacun une partie qui n'est pas en contact avec l'eau, mais qui va aussi absorber de la chaleur par conduction thermique, la vitesse d'absorption dépendant alors entre autres de l'épaisseur de la paroi du récipient.

Cela dit, si la chaleur massique du matériau est effectivemnt la clé du problème du refroidissement de l'eau dans la théière, alors une théière en or massif serait encore mieux adaptée, puisque sa chaleur massique est environ moitié de celle de l'argent. Elle serait en revanche extrêmement sensible aux chocs…

Sources

Chaleur massique: http://www.alyon.org/InfosTechniques/chimie/chaleur_massique_diverses_substances.html, pedagogie.ac-toulouse.fr/biotech-sante-envir/STHE_Equipements_partie_1.pdf page 14.

[ Posted on March 24th, 2007 at 21:58 | 9 comments | ]

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Comments

La masse est celle des récipients, elle va influencer la capacité du récipient à absorber la chaleur de l'eau. La quantité d'eau, en revanche, est constante dans chacune de mes expériences : j'utilise un décilitre d'eau à chaque fois.

La chaleur massique est une caractéristique du matérieau, elle ne dépend pas du volume. Pour comparaison, la chaleur massique de l'eau vaut 4180 J/kg/K, c'est à dire que pour augmenter d'un degré (Kelvin ou centigrade, ça revient au même ici) la température d'un kilo d'eau, il faut lui apporter 4180 joules.

Ce que je voulais faire, c'est répondre à la question « l'argent est-il mieux que la porcelaine ? » Pour ce faire, il faut que les quantités de chaleur apportées soient les mêmes dans chaque expérience, ce qui revient à utiliser à chaque fois le même volume d'eau à la même température initiale, et que les récipients soient semblables. Le volume exact des récipients, en revanche, n'est pas tellement important. Ensuite, chaque matériau va absorber et dissiper cette chaleur d'une manière qui lui est propre, plus ou moins vite au début, plus ou moins vite sur le long terme, comme tu as pu toi-même le constater.

Mes résultats confirment les tiens : la porcelaine refroidit l'eau plus vite que l'argent dans les secondes qui suivent le versement de l'eau chaude, et à long terme, l'argent conserve mieux la chaleur. En revanche, il semblerait que l'inox soit encore plus performant que l'argent dans les secondes qui suivent le versement, bien que vus la faible différence entre les résultats et les différences de forme entre ma mesure en inox et mon gobelet en argent, cela puisse provenir d'erreurs de mesure.

Est-ce que ça répond à tes questions ?

Comment #2, Matthieu Weber (Finland), March 24th, 2007 at 21:14

Ceci provoque chez moi deux interrogations :

1) savoir empirique : Ma maman m'a bien appris à ébouillanter la théïère de terre cuite avant d'y verser à nouveau l'eau réchauffée, ce qui change la température du récipient à t=0. (protocole : verser l'eau bouillante, laisser quelques secondes, vider la théïère et remettre l'eau à chauffer, placer le thé et verser l'eau bouillante, c'est moins strict que ce qu'on lit sur http://teamasters.blogspot.com/2005/10/apprendre-le-gongfu-cha-3-le.html )

questionnement : La thermodynamique fait-elle toujours pencher la balance vers la théïère métallique, dans ces conditions ?

2) savoir empirique : Je connais quelques Chinois qui refuseront de boire du thé passé par une passoire d'acier ou une boule à thé, arguant que le goût en est altéré...

questionnement : ceci est-il spécifique à l'acier ?

Comment #3, Feth (Pantin, France), March 25th, 2007 at 15:11

En ce qui concerne le 1), je ne sais pas trop. Cela dépend de comment la théière va échanger la chaleur avec l'air ambiant, ce qui dépend du matériau, de son épaisseur, de sa surface extérieure et de la présence de courant d'air. En théorie, la théière métallique devrait refroidir plus vite, puisqu'elle stocke moins de chaleur que celle en porcelaine et qu'elle a une conductivité thermique plus grande. À titre de comparaison, voici la conductivité thermique de quelques matériaux évoqués ici (en W/m/K) : Argent : 429 Inox : 16 Porcelaine : 1 Air : 0,0024 (source : http://www.engineeringtoolbox.com/thermal-conductivity-d_429.html )

On voit donc que la théière métallique refroidira beaucoup plus vite que la théière en porcelaine. Mais à moins de faire des calculs pour chacun des matériaux, ce dont je ne suis pas sûr d'être encore capable, il n'est pas évident de prédire ce qui se passera vraiment.

En ce qui concerne le deuxième point, le thé va dissoudre une infime partie de tout métal au contact duquel il se trouve, et ces ions métalliques dissout vont donner un goût au thé, plus ou moins perceptible selon les personnes et les durées de contact, et qui dépend du type de métal. Certains métaux cependant réagissent moins facilement que d'autres : l'or par exemple est quasiment inaltérable, alors que le fer (principal composant de l'acier) a tendance à réagir plus facilement. L'inox est censé résister aux réactions chimiques, mais l'inox vraiment inoxydable est cher. En ce qui concerne l'argent, je ne sais pas. À mon avis, une passoire ou une boule à thé en inox ne changeront pas le goût. De l'acier par contre, peut-être. Et puis il peut aussi y avoir une part de foi aveugle envers un principe inculqué jeune, ou une part de snobisme. Ça ne répond pas vraiment à la question, mais je n'en sais pas plus.

Comment #4, Matthieu Weber (Finland), March 25th, 2007 at 18:06

Mes chiffres de chaleur massique viennent du Web (j'ai d'ailleurs cité mes sources en fin d'article), ce sont des constantes de la physique qui ont été mesurées par des scientifiques au fil du temps.

J'ai fait quelques calculs (ce genre de choses m'amuse, je dois être fêlé). Prenons des « théières théoriques » parfaitement sphériques, de contenance 0,1 litre exactement. Une des théières est en argent, et sa paroi a une épaisseur de 1 millimètre, l'autre est en porcelaine et sa paroi fait 2 millimètres. Ce qu'on obtient, c'est qu'en versant de l'eau à 95 °C, après quelques instants, l'eau dans la théière en argent sera (en théorie) à 90,6 °C, alors que dans la théière en porcelaine, elle sera à 85,6 °C. Si on vide les theières et qu'on verse à nouveau de l'eau à 95 °C (ce qu'on fait typiquement pour infuser le thé, juste après le préchauffage), l'eau dans la théière en argent sera à 94,7 °C et celle dans la théière en porcelaine sera à 93,8 °C, ce qui fait moins d'un degré de différence. Si on effectue une deuxième préchauffage avant d'infuser le thé, la différence sera d'un dixième de degré. Donc en théorie, si on préchauffe la théière en porcelaine deux fois au lieu d'une seule, on obtient un aussi bon thé qu'avec la théière en argent.

Ce qui dirige le choix d'un bon matériau, c'est le produit de la densité du matériau (ou sa masse volumique) par sa chaleur massique, pour une épaisseur de paroi donnée. Les calculs confirment ainsi que l'or pur serait encore un meilleur matériau que l'argent, mais de peu. Sinon le tungstène, le platine ou l'iridium seraient de bons choix, à condition d'avoir des parois peu épaisses à cause de leurs densités très élevées. En revanche, l'inox est théoriquement moins bon que l'argent, donc il doit s'agir d'une erreur expérimentale.

À titre d'information, si mes calculs sont exacts (ce qui reste encore à vérifier), il faudrait 6 millisecondes pour que la température de la théière théorique en argent se stabilise après le versement de l'eau, et 11 secondes pour la théière en porcelaine.

Quelques recherches sur google ont aussi montré que les ions argent dissous dans l'eau n'en changent pas le goût, alors que des ions fer dissout lui donnent un goût désagréable (voilà pour la question de Feth), ce qui confirme que l'argent est un bon choix pour une théière.

Comment #6, Matthieu Weber (Finland), March 26th, 2007 at 01:10

Impressionnantes, vos investigations !

Je reviens à la charge sur le fer, j'espère que ça ne vous ennuie pas :

Les milieux médicaux soupçonnent que la consommation de thé, surtout au cours des repas, peut entraîner des carences en fer (enfin, peut-être pas si vous mangez autant de viande que moi). Selon [0], les théaflavines (polyphénols, c'est d'eux que vient le goût, Hervé This les concentre !) qui peuvent constituer jusqu' 40% en masse du thé noir sec, sont susceptibles de constituer des complexes que l'humain ne peut métaboliser avec le fer. Dans [1], twinings indique d'ailleurs que la consommation de thé à distance des repas ne pose pas de problème même aux anémiés.

Ceci m'amène cependant à soupçonner que puisque les molécules qui donnent du goût au thé ont une certaine propension à réagir avec le fer (au moins), le goût doit être modifié.

J'ai réalisé l'expérience suivante : récipients : deux tasses froides, - l'une coréenne avec filtre de terre cuite, - l'autre un mug anglais de porcelaine. J'ai préparé le même thé en petite quantité, et en agitant énergiquement, - d'un côté à l'aide d'une baguette en plastique, - de l'autre en remuant la cuillère à thé (une peu rouillée), afin que le thé donne au plus vite son arôme et réagisse s'il y a lieu avec la cuillère. Je n'ai pas le nez assez fin pour distinguer une différence entre les deux thés blancs (pas de noir à cette heure) ; par contre en bouche il me semble trouver le thé de la tasse coréenne plus doux, et sentir clairement le goût de fer dans l'autre. Rien cependant de définitif ; il me faudrait réaliser ce test en double aveugle.

[0] http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db=PubMed&list_uids=15041246&dopt=Abstract [1] http://www.twinings.ch/fr/wohlfuehlen_tw/powerstoffe_tw.htm

Comment #8, Feth (Éragny, France), March 27th, 2007 at 00:04

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