Värmelära eld och is

TNK201

Historik

Värmelära har utvecklats från att observera effekterna av värme till att förstå och styra det.

Tidiga människans observationer var enkla:”värme ändrade saker”

värme

Caloric teori (1700-1800) värme är ett osynligt ämne

Påstod att värme var en osynlig, smaklös, luktfri, tyngdlös fluid som heter “caloric”.

Caloric strömmar från ett objekt till ett annat som därefter blir större och hetare.

Caloric kunde inte bli skapas eller förstöras eller omvandlas till någonting annat.

Mitt kaffe är kallt!

Då häller du bara i lite

caloric

Caloric teorin förklarade vad folk observerade, de förstod inte att värme är energi i förhållande till molekylär rörelse

Solid iskub Hetare ångaFlytande vatten

Gas

Vattenånga

men ledde till vissa viktiga koncept:Specifikt värme: mängden caloric att höja en enhet av massa 1ºC, Black 1766Konduktion: ledningsförmågaIngenhousz 1789, och Rumford 1792.

Friktion gav genombrottet Rumford tittade på kanoner när de

borrades i en fabrik och observerade att det blev en extrem värme.

Hans observationer och mätningar gjorde att man förkastade Calorics teori för att den inte kunde förklara att friktion gav upphov till en temperaturökning. Count Rumford

James Prescott Joule

Joule (1818-1889) upptäckte att värme är en typ av energi. Bevisade att mekaniskt arbete kunde förvandlas till värme.

4,19 Joule = mängden arbete som krävs att höja 1g vatten 1ºC.

Mekanisk energi till termisk energi Varje gång bollen studsar är en del av bollens

rörelseenergi omvandlad till värme och bollens hastighet minskar.

A thermal infrared image of a ball before (left) and after (right) being bounced. (source NASA, Caltec)

Temperaturskalor

Fahrenheit: Fryspunkten för vatten är 32 ºF och kokpunkten är 212 ºF med 180 grader (linjärt) mellan dem.

Celsius (1741): Fryspunkten för vatten är 0 ºC och kokpunkten är 100 ºC med 100 grader (linjärt) mellan dem.

ºF = ºC1,8 + 32

Kelvin (1848): noll motsvarar den absoluta nollpunkten -273 ºC där all molekylär rörelse upphör gastrycket är lika med noll.

ºK = ºC +273

Temperatur vs. värme?

FRÅGA1) Vad är skillnaden mellan värme

och temperatur?

Värme och temperatur

Värme  =  värmeenergi, kan inte gå förlorat. Mäts i J (joule), tidigare i kalorier

Temperatur = ett (termodynamiskt exakt) definierat mått av tillstånd. Ungefär ett mått på hur snabbt atomer eller molekyler rör sig. Mäts bl.a. i °C, grader Celsius 

Temperatur och värme (värmeenergi)

-273°C 0°C

Energimängd per kg

100°C

Termiska egenskaper hos mat

Specifik värmekapacitet, Cp

Är den mängd av värme som måste tillföras eller som avges per viktenhet hos en produkt för att uppnå en viss temperaturskillnad (utan att andra fas)

Är beroende av vad produkter består av, fukthalt, temperatur och tryck

Specifik värmekapacitet Cp

Ämne Cp (kJ/(kg·°C))Järn 0,45Aluminium 0,90Vatten 4,18Vattenånga 2,08Is 2,05Etanol 2,44Protein 1,55Fett 1,67kolhydrater 1,42Luft 1,00

FRÅGA Hur mycket energi krävs för att koka upp

1L vatten?

Q = m x cp x (T-T0)

= 1 kg x 4 kJ/kg,°C x (100-20)°C = 320 kJ

1 kJ= 1kWs: en snabbplatta på spisen ger ca 2 kW, dvs

plattan avger den värmemängden på mindre än 3 min

Fasomvandling

Processer där förhållandena ändras som t.ex. vid smältning, frysning, avdunstning eller kondensering, dvs byter fas.

Cp is = 2,05 kJ/kg K

Cp vatten = 4,18 kJ/kg K Fasomvandlingsenergi

(vatten/is) = 334 kJ/kg(vatten/ånga) = 2260 kJ/kg

Temperatur och värme (värmeenergi)

-273°C 0°C

Energimängd per kg

100°C

334 kJ/kg

2260 kJ/kg

Joule och kalorier i mat?

1 kalori (cal) = 4,19 Joules d.v.s. det tar

1 cal att höja 1g vatten 1ºC.

FRÅGA Om vi äter riktig kall mat (eller is)

kan det ta mer energi att värma upp den till kroppstemperatur än den energi som finns i maten?

VärmeöverföringHur överför man värme till något?

Värme kan överföras på tre olika sätt– Konduktion i fast material genom

kollisioner mellan molekyler eller elektroner

– Konvektion i flytande ämnen och gaser

– Strålning mellan ytor med olika temperatur

Drivande kraft för värmetransportVid konduktion och konvektion:temperaturskillnaden mellan källan och målet

Tk – Tm (°C eller K)

Vid värmestrålning:Skillnaden mellan fjärde-potensen av

absoluttemperaturen mellan källan och målet

(Tk )4 – (Tm )4 (endast K)

Värmeöverföring i matlagning

I vilka matlagningprocesser finns det:

Konduktion? Konvektion?Strålning?

Konduktion: Direktkontakt Termisk energi överförs från en partikel till

en annan närliggande genom kollisioner mellan dessa eller genom inducerad rörelse.

Konduktiviteten, k hos ett material bestämmer hur snabbt det värms upp, kyls av, och hur pass jämnt värmen blir fördelad.

Förloppet bestäms av temperaturskillnad, tjocklek och konduktivitet

x

TkAq

Konduktion: exempel

Konduktion genom en stålplatta 250ºC på en sida, 90ºC på den andraGeometri: 1 cm tjock, 50cm x 50cm, k=17 W/m·ºC konduktivitet

kWWq

mm

CCmmCmWq

x

TkAq

6868000

)01.00(

º90º250)5.05.0(º/17 2

1cm

250ºC

90ºC

Termiska egenskaper

Termisk konduktivitet, k är hastigheten hos värmen som förs genom ett material med en enhets tjocklek och en enhets temperaturskillnad över materialet.

Metaller = 50 – 400 W/m°CVatten = 0,597 W/m°C (vid 20°C)Is = 2,22 W/m°C

Luft = 0,0251 W/m°C (vid 20°C)Isoleringsmaterial = 0,035 – 0,173 W/m°C

Uppskattning av termisk konduktivitet

För frukter och grönsaker med en vattenhalt över 60 %:

k = 0,148 + 0,00493 x %vatten

Kött (0-60ºC) med en vattenhalt på 60 – 80 %:k = 0,08 + 0,0052 x %vatten

När man vet innehålletk = 0,20mc + 0,18mp + 0,18mf + 0,33ma + 0,57mw

mc = %Kolhydrat, mp = %Protein, mf = %Fett, ma = %Aska, mw = %Vatten

Konvektion: Värmeöverföring i fluider

Värmeöverföringen när molekyler i en fluid (vätska eller gas) rör sig från ett varmare område till en kallare.

Kombination av konduktion och blandning. Energirika molekyler flyttas från ett ställe

till ett annat och kolliderar sedan med långsammare (kallare) molekyler.

”Blandingsgrad” beskrivs med värmeövergångstal, h

Konvektion: Värmeöverföring i fluider

Hur snabbt kan värme transporteras från en yta till vätska eller gas? (eller tvärtom)

Konvektionvärmemängd/tidsenhet =

yta x värmeledningstal / skenbar tjocklek av vätskeskikt x drivande kraft

= yta x värmeövergångstal x drivande kraft

Konvektion: Värmeövergångstal

Beror på mediets– Värmeledningtal– Värmekapacitet– Strömning (skenbar skikttjocklek)

Kan vara – Påtvingad konvektion med hjälp av pumpar,

fläktar, mm– Fri konvektion pga densitetsskillnader

Konvektion: Värmeövergångstal

)( TThAq obj

h W/m²·ºC (värmeövergångstal)

Luft fri konvektion 5-25 W/m²·ºCpåtvingad 10-200

W/m²·ºCVatten fri konvektion 20-100 W/m²·ºC

påtvingad 50-10000 W/m²·ºC

Kokande vatten 3000- 100000 W/m²·ºC

Konvektion: exempel

Vad är det initiala värmeöverförings- förloppet hos ett ägg i kokande vatten?– h= 10 000 W/m²ºC– A= 0.0078 m²– T = 100ºC, Tobj=20ºC

Wq

CCmCmWq

TThAq obj

6240

)º100º20(²0078.0º²/10000

)(

20ºC100ºC

Hur snabbt kan något värmas upp?

Materialparameter måste ta hänsyn både till värmeledningstal och värmekapacitet

Temperaturledningstal, värmediffusivitet= värmeledningstal / (täthet x värmekapacitivitet)

Typiska värdenOlja: 0,8 10-7 m2/s Kött: 1 10-7 m2/s Vatten, potatis: 1,5 10-7 m2/s Bröd: 2 10-7 m2/s

Hur snabbt värms ett platt paket?ytamitten

värmediffusivitet, anta 1 10-7 m2/s

b paketets halva tjocklek, anta 0.01m

t tid i sekunder

1000 s

100 s

Strålning: Ren energi Jorden värms av solen - Hur transporteras denna

värme 150 miljoner km genom rymden där det i praktiken inte finns några molekyler?

Termisk strålning behöver ingen fysisk kontakt. All materia avger termisk strålning hela tiden.

Strålningsvärme är släkt med radiovågor, ljus, röntgen och de är en del av ett elektromagnetiskt spektrum.

Rörelse hos partiklar skapar elektromagnetiska fält vilka kan röra sig genom rymden och skapa eller ändra rörelse hos det material de träffar.

Strålning: exempel

I köket, vid grillning, bakning, mm: glöd eller ungsväggar strålar värme.

Hur mycket ett material strålar beror på temperatur och ”emissivitet” strålningstal

– T.ex. vad är strålningsvärme fran en gjutjärnsgrill 50cm i diameter vid 540ºC?

=0.66, Stefanboltzman konstant = 5.6710-8 W/m²ºK4

– q=3696 W

4ATAq

Mikrovågor

Elektromagnetiskt fält, påverkar laddningarÖverför termisk energi bara om laddningar

rörs men inte hinner följa med fältets svängningar (2,45 GHz)

Påverkar praktiskt ”lagom rörliga”– polära molekyler (vatten, ej is)– joniserade molekyler (salt i lösning)

Påverkar lite– is– olja

Mikrovågor

– Ingen ”drivande kraft” för beräkning, överförd värmemängd beror inte på produktens temperatur

– Tränger in ca 1 cm i vatten(djupare i varmvatten, lyckligtvis)

– Reflekteras och böjs av matytorExakt temperaturfördelning svår att förutsäga

KantvärmningFokusering/stående vågor (potatis, bullar)

Temperaturer vid matlagning

Så länge vatten finns kan den lokala temperaturen inte nämnvärt överstiga 100°C, förutsatt normal tryck

Kokpunkt °C

Tryck bar

Varför blir kokpunkten olika?

Hur kan man utnyttja detta?– Tryckkokare

Vattnet kokar vid högre temperatur

– Vakuumtorkning Vattnet torkas bort vid

lägre temperatur

– Saltlösningar Vattnet kokar vid

högre temperatur

Infrysning

Kristallbildning i rent vatten Koncentrationshöjning av lösta

ämnen i flytande vatten Långsam infrysning ger stora

kristaller Snabb infrysning ger små kristaller

Infrysningskurva

Sätt att värma

KokningAlltid bra värmeöverföring (konvektion)Stormkokning vers sjudning - mest skillnad i

omrörningVäldig skillnad i värmeförluster med/utan lock

ÅngkokningBra värmeöverföring, Ger mindre vattenombyte på ytan = mindre

extraktion

Sätt att värma

Stekning i panna Försumbar värmning från sidorna/toppenLokal torkning i bottenUtan olja: mycket dålig värmeöverföring

Stekning i panna under locksom ångkokning om vatten finns

Sätt att värma

Ugnstekning / Gräddning– Blandning av konvektion och strålning– Dålig värmeöverföring,

Vid 125C tar det 5h för skinkans yta att komma till 100C

Bättre värmeöverföring i konvektionsugnNär ytan nått 100C, påverkas den inre

värmningen inte längre av ugnstemperaturen