Värme Petr Dejmek

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  

Anders Celsius, 1701-1744 Professor i astronomi, som även omfattade geografi och meteorologi, Graderade sin kvicksilvertermometer 0 grader = kokande vatten, 100 grader = smältande is

Absolut temperatur Räknas från absolut noll (-273°C), den lägsta temperaturen som kan finnas – när atomer och molekyler står stilla Anges i K, grader Kelvin Lord Kelvin, 1824-1907

Temperatur och värme (värmeenergi) Energimängd per kg -273 C 0 C 100 C

Specifik värmekapacitet (värmekapacitivitet, specifik värme) Om man tillför 1 kg av ett visst material energimängden Q , ökar  temperaturen proportionellt med energimängden, men olika mycket för olika material  Temperaturökning = tillfört värme / värmekapacitivitet (om materialet inte smälter eller kokar)

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

Hur mycket energi för att värma upp 1 kg potatis ? 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

Hur mycket energi för att värma upp 1 kg potatis ? Q=M x cp x (T-T0) = 1 kg x 4 kJ/kg, °C x (100-20)°C = 320 kJ=76 kcal 1 kJ= 1/4,2 kcal (kcal = allmänhetens ”kalori”) potatis som mat (=samma som förbränning utan förluster) innhåller ca 90 kcal/100 g och energin i 85 g potatis (eller 8.5 g olja) räcker då för uppvärmningen av 1 kg potatis

Hur mycket energi för att värma upp 1 kg potatis ? Q=M x cp x (T-T0) = 1 kg x 4 kJ/kg, °C x (100-20)°C = 320 kJ 1 kJ= 1000 Nm (kraft ggr avstånd): Om en linbana transporterar en person på 60 kg (gravitationskraften ~600 N), uppför ett 530 m högt berg, har den använt lika mycket energi

Hur tillför man värmeenergi till något? (Hur överför man värme) Ledning direktkontakt mha fast material (spisplattan till kastrullen) Konvektion (”medbringande”) kontakt med vätska eller luft (kastrullen till vatten, vatten till potatisen) Strålning Värmestrålning mikrovågor

Drivande kraft för värmetransport Vid ledning 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)

Hur snabbt kan värme transporteras GENOM olika material? Värmeledning: värmemängd/tidsenhet = tvärsnittsyta x värmeledningstal x drivande kraft / transportsträcka

Värmeledningstal W/(m °C) vatten = 0.57 CHO = 0.20 protein = 0.18 fat = 0.18 is = 2.22 luft= 0.026

Hur snabbt kan värme transporteras från en yta till vätska eller gas Hur snabbt kan värme transporteras från en yta till vätska eller gas ? (eller tvärtom) Konvektion värmemängd/tidsenhet = yta x värmeledningstal / skenbar tjocklek av vätskeskikt x drivande kraft = yta x värmeövergångstal x drivande kraft

Värmeövergångstal vid konvektion Beror på mediets värmeledningstal, värmekapacitet strömning (”skenbar skikttjocklek”)

Värmeövergångstal, W/(m2, °C)

Hur snabbt kan något värmas upp? Drivande kraft – som tidigare Materialparameter måste ta hänsyn både till värmeledningstal och värmekapacitet Temperaturledningstal, värmediffusivitet = värmeledningstal / (täthet x värmekapacitivitet) Typiska värden Olja 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? Här: a värmediffusivitet, anta 1 10-7 m2/s b halva paketets tjocklek, anta 0.01m t tid i sekunder mitten yta 1000 s 100 s

Mikrovågor Elektromagnetiskt fält, påverkar laddningar Överför 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 matytor Exakt temperturfördelning svår att förutsäga Kantvärmning Fokusering/stående vågor (potatis, bullar)

Material Temperature in °C Penetration depth in cm (2450 MHz) water 25 1,4 95 5,7 ice -12 1100 bread 2 ... 5 potato , raw 0,9 mashed potato 0,8 peas, carrots 1 meat 0,9 ... 1,2 paper, cardboard 20 ... 60 wood 8 ... 350 porcelain 56 polyvinylchloride20 20 210 teflon 9200 quartz glas 16000

Temperaturer vid matlagning Så länge vatten finns kan den lokala temperaturen inte nämnvärt överstiga 100°C, förutsatt normal tryck Kokpunkt °C Tryck bar

Sätt att värma Kokning Ångkokning Alltid bra värmeöverföring (konvektion) Stormkokning vers sjudning - mest skillnad i omrörning Väldig skillnad i värmeförluster med/utan lock Ångkokning Bra värmeöverföring, Ger mindre vattenombyte på ytan = mindre extraktion

Sätt att värma Stekning i panna Stekning i panna under lock Försumbar värmnig från sidorna/toppem Lokal torkning i botten Utan olja: mycket dålig värmeöverföring Stekning i panna under lock som 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 konvektionsugn) När ytan nått 100C, påverkas den inre värmningen inte längre av ugnstemperaturen