Nombre de Biot : refroidir un aliment, surface et cœur
À Bi = 1 (nombre de Biot, sans unité : la résistance de l’intérieur de l’aliment à la chaleur, comparée à celle de sa surface), le modèle à température uniforme annonce 116 min pour rattraper 90 % de l’écart avec le milieu extérieur ; le cœur de l’aliment en demande 164. Vous savez quand une seule température suffit, et quand elle trompe.
Une expérience du cours de Cyril Voyant, à manipuler dans le navigateur. Le chapitre et ses diapositives · Toutes les expériences · Lexique : nombre de Biot.
Essayer et interpréter
Avec h = 25 W/m²/K (échange en surface), Lc = 0,02 m (longueur caractéristique : volume divisé par surface) et λ = 0,5 W/m/K (conductivité thermique de l’aliment), Bi = 1 : les gradients internes comptent. Augmentez λ ou réduisez Lc : Bi baisse et les courbes se rapprochent. Le modèle uniforme ne dépend pas de λ : sa courbe ne bouge donc pas quand λ change.
Quand peut-on remplacer un aliment entier par une seule température ?
Quand Bi est petit (repère usuel : Bi < 0,1), la chaleur circule vite dans l’aliment par rapport à ce que la surface évacue : une seule température suffit. Quand Bi grandit, le cœur prend du retard sur la surface et il faut distinguer les deux.
T(t) : modèle à température uniforme, valable quand Bi est petit.
Les définitions
- Bi
- Le nombre de Biot : la résistance de conduction interne comparée à la résistance de convection en surface.
- h
- Le coefficient de convection en surface.
- Lc
- La longueur caractéristique : le volume divisé par la surface d’échange.
- λ
- La conductivité thermique de l’aliment.
- T(t), Ti, T∞
- La température au temps t, la température initiale et celle du milieu extérieur.
- τ, m, cp, A
- Le temps caractéristique du modèle uniforme, la masse, la capacité thermique massique et la surface d’échange.
Hypothèses et limites
Bi < 0,1 est un repère. La courbe à cœur prend le premier terme de conduction dans une plaque, valable après les tout premiers instants ; propriétés et convection constantes, sans changement de phase. Ce n’est pas la validation d’un procédé sanitaire.
Aller plus loin
- Le chapitre complet du cours : le raisonnement, d’autres exemples, le diaporama et la FAQ
- La congélation : l’énergie et la puissance à prévoir
- La machine frigorifique : le travail nécessaire pour extraire cette chaleur
Les valeurs affichées sont calculées ou construites dans le modèle indiqué : ce ne sont pas de nouveaux résultats de recherche.
Cette expérience est présentée comme animation du cours : page de référence. Version anglaise : the English tool page.