Pourquoi mélange-t-on un liquide pour le faire refroidir ?

Bonjour,

Apparemment assez simple, votre question fait appel à des notions de physique très complexes, or n’étant pas physicien mais seulement bibliothécaire, peut-être serait-il plus sage de consulter des spécialistes pour obtenir une réponse complète et certifiée fiable, nous vous conseillons ainsi, de vous adresser à la Société française de physique qui propose de répondre aux amateurs.
Voici néanmoins quelques éclairages.

En ce qui concerne la chaleur créée par « l’agitation » des particules :
« La chaleur dégagée par un corps correspond à l'énergie cinétique de ses atomes et de ses molécules en mouvement. C'est ce qu'on appelle le mouvement brownien. Plus les atomes sont agités et plus la température est élevée. La température est une mesure de l'énergie cinétique moyenne des atomes. » (source : physique.haplosciences.com)

Cependant ce phénomène se produit à un niveau « d’agitation » très élevée. Il faut une certaine vitesse de friction des atomes pour produire de la chaleur en partant d’un liquide froid, vous pouvez y parvenir avec un mixeur ou un blender par exemples; remuer une petite cuillère ne suffira pas !

En revanche cette petite cuillère entraine d’autres phénomènes de physique, notamment la thermodynamique.
Ainsi, il y a contact entre l’air froid et le fluide chaud du café, et donc un transfert de chaleur. Ce qui refroidit votre café, c’est ce contact sans cesse renouvelé entre un air froid constant et les différentes particules chaudes du café qui sont remontées à la surface.

Ce phénomène a déjà été expliqué dans une précédente réponse du Guichet du Savoir :
« La conductibilité thermique caractérise le comportement des matériaux lors d’un transfert thermique possible par trois voies :
- la conduction. Elle peut s'interpréter comme la transmission de proche en proche de l'agitation thermique : un atome (ou une molécule) cède une partie de son énergie cinétique à l'atome voisin. La conduction thermique est un phénomène de transport de l'énergie interne dû à une hétérogénéité de l'agitation moléculaire
- la convection. Elle implique un déplacement de matière dans le milieu. La matière est advectée (transportée-conduite, mais ces termes sont en fait impropres) par au moins un fluide. Ce phénomène physique très commun se produit dans de nombreux systèmes (casserole lors de l’ébullition, atmosphère, manteau terrestre, étoile, ...)
- le rayonnement. C’est-à-dire l'interaction du rayonnement électromagnétique et de la matière.» (source : l’air)

Nous avons trouvé une explication encore plus limpide donnée à une question similaire sur un blog de cuisine : Pourquoi la soupe refroidit quand on souffle dessus ?
« Un physicien, pour plus de facilité, étudie la soupe comme si elle était de l’eau.
L’image est simple : il y a de l’eau liquide dans la soupière, de l’air au-dessus et de la vapeur qui s’élève dans l’air.
Il faut d’abord savoir que la vapeur est constituée d’eau devenue gazeuse : chauffées, les molécules d’eau sont devenues si rapides qu’elles ont vaincu les forces qui les retenaient dans le liquide et qu’elles sont passées dans l’air auquel elles se mélangent progressivement. La vapeur étant chaude, elle est plus légère que l’air, et ainsi s’élève, à la façon d’une montgolfière.

D’autre part, l’eau de la soupe est composée de très nombreuses molécules qui bougent à des vitesses différentes. Certaines s’en échappent mais heurtent l’air et sont renvoyées dans le liquide. D’autres, plus lentes ne font que se déplacer dans le liquide, et entrent en collision avec les molécules voisines.
Dans l’air, les molécules d’azote, d’oxygène et d’autres éléments chimiques bougent aussi, et parfois les molécules d’eau de la soupe viennent s’y heurter violemment et les délogent. Chocs après chocs, un équilibre s’établit entre la soupe et la couche d’air qui se trouve juste au-dessus : la température de l’air devient égale à celle de la soupe.

Si l’on souffle sur la soupe, l’air qui la surmonte, chargé de molécules d’eau évaporées, est remplacé par de l’air sec. Les molécules évaporées ne peuvent donc revenir dans la soupe : en soufflant, vous favorisez donc l’évaporation de la soupe.

Etant donné que les molécules qui s’évaporent sont celles qui ont le plus d’énergie, il ne reste dans la soupe que les molécules qui en ont le moins. L’évaporation conduit donc à une diminution de l’énergie du liquide, c’est-à-dire à un refroidissement du liquide. Mais attention, pour refroidir une soupe épaisse, il faut la remuer en même temps que l’on souffle, sinon seule la surface sera refroidie, car la viscosité empêche les molécules de la surface d’égaliser leur température avec les molécules du fond. »

Pour de plus amples informations, vous pouvez consulter des précédentes réponses du Guichet du Savoir :
- électrons et effet joule
- électrons libres !
- H2O et sensibilité thermique

Bonne journée.