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 Värme ändrade saker Lera i flöden bli keramik Värmning av malmsten till det smälter bildar metaller Efter kylning och om värmning kan smedja det smycken eller vapen Även sand kunde ändra sig till glas

Caloric teori (1700-1800) värme är ett osynligt ämne Mitt kaffe är kallt! 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. Då häller du bara i lite caloric En osynlig form av stöff

Caloric teorin förklarade vad folk observerade, de förstod inte att värme är energi i förhållande till molekylär rörelse Flytande vatten Gas Vattenånga Solid iskub Hetare ånga men ledde till vissa viktiga koncept: Specifikt värme: mängden caloric att höja en enhet av massa 1ºC, Black 1766 Konduktion: ledningsförmåga Ingenhousz 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 Rumford mätte värme som skapades av friktion under borrning av mässningskanoner Efter en bestämt mängd tillförd friktion, nedsänkt kanon, verktyg och flis i vatten och mätte temperaturökningen. Han publicerad resultatet 1798 och de var bara 25% för höga. Joule bevisade att man kunde värma vatten utan eld. Joule hade en gass med termometer i och en omrörare. Efter en vis tids omrörning kunde man se att vattens temperatu hade ökade. Han provade ute olika system men alltid hittiage att en viss mangd mekaniska arbete (4.19 Joule) ökade vattens tempertur med 1 grad celsius. 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. James Prescott Joule

Mekanisk energi till termisk energi Varje gång bollen studsar är en del av bollens rörelseenergi omvandlad till värme och bollens hastighet minskar. Det kan uppstå inte bara i vatten men också i andra objekt. Här blir bollen varmare pga studsande är inte 100% effektiv, de studsas lagre varje gång och en del av förlusten ger termiska energi. 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 = ºC1,8 + 32 Kelvin (1848): noll motsvarar den absoluta nollpunkten -273 ºC där all molekylär rörelse upphör gastrycket är lika med noll. ºK = ºC +273 Temperaturskala: Där finns två vanliga temperaturskalor som används idag. De är båda relaterade till när vatten fryser respektive kokar vid normalt lufttryck. Fahrenheit: Fryspunkten för vatten är 32 ○F och kokpunkten är 212 ○F med 180 grader (linjärt) mellan dem. Celsius (1741): Fryspunkten för vatten är 0 ○C och kokpunkten är 100 ○C med 100 grader (linjärt) mellan dem. ○F = ○C*1,8 + 32 Kelvin (1848): Skapade en temperaturskala som har samma intervall mellan graderna som Celsius med skillnaden att noll motsvarar den absoluta nollpunkten (-273 ○C) där all molekylär rörelse upphör gastrycket är lika med noll. pV = nRT ○K = ○C +273

Temperatur vs. värme? FRÅGA 1) Vad är skillnaden mellan värme och temperatur? Värme: Är termal energi i transit när termal energi strömmar från en varm till en kall kropp och detta kallas värme. Detta går inte föra i motsatt riktning utan att det då krävs arbete. Arbete: Är också en överföring av en kvantitet. Det är en kraft som verkar längs en sträcka, som t.ex. att lyfta en vikt. W = F*l = m*a*l W = 1*10*1 = 10 J Temperatur: Uttrycker den genomsnittliga termala energin hos en kropp. Molekylerna hos en kropp vibrerar med en hög frekvens, men med en amplitud som ökar med nivå på den termala energin hos kroppen. Vissa material är lättare än andra att värma upp, dvs att med samma energitillförsel kan man få en högre temperaturökning.

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) Energimängd per kg -273°C 0°C 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 Termala egenskaper hos mat Specifika värmet, Cp Är den mängd av värme som det ökar/minskar per viktenhet hos en produkt för att uppnå en önskad skillnad i temperatur utan att ändra något annat. Cp = Q/(mT) Q = ökning/minskning av värme uttryckt i kJ m = massan i kg T = skillnad i temperatur i ○C Specifika värmet hos en produkt är beroende av vad produkter består av, fukthalt, temperatur och tryck. Kan beräknas med hjälp av empiriska studier (Dickerson, 1969) för köttprodukter med en fukthalt på 26-100 %. Cp = 1,675 + 0,025w W = mängden vatten i % Eller för produkter där sammansättningen är känd: Cp = 1,424mc + 1,1549mp + 1,675mf + 0,837ma + 4,187mw mc = Kolhydrat mp = Protein mf = Fett ma =Aska mw =Vatten Hur mycket energi krävs för att rosta jordnötter respektive en kalkon?

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

FRÅGA Q = m x cp x (T-T0) = 1 kg x 4 kJ/kg,°C x (100-20)°C = 320 kJ 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 Hur mycekt vager det? Vad är delta T? Vad är Cp Jordnötter (mx) Kalkon (mx) Vatten 4,187 0,056 0,642 Protein 1,549 0,26 0,201 Fett 1,675 0,475 0,147 Kolhydrat 1,424 0,186 0,0 Aska 0,833 0,023 0,01 Totalt: 1,66 3,24

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 Draw diagram for ice melting.

Temperatur och värme (värmeenergi) Energimängd per kg 2260 kJ/kg 334 kJ/kg -273°C 0°C 100°C

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? Ice cream: 10% fett 21% kolhydrat 6% protein 63% vatten kilocal 200/100g =2000 kcal/kg = 8380 kJ/kg Fryspunkt -2ºC Cpu = 3.1 kJ/kg/K Cpf= 1.67 kJ/kg/K Lf 333.3 kJ/kg is pasomvändling temperatur 333.3X.63=210kJ/kg Levy Equation (1958) Delat H = [1+0.008 (Ti-Tf)] x (Cpu(Ti-Tf)+Lf+Cpf(Tf-T))=484kJ/kg Ti = initial temperature before freezing Tf =frys punkt, T slut tempertur -25 5% difference…at -25, 12% difference at absolute zero. Eating ice at zero mCpdeltaT=(4.2*37+333.31)*m For att värma bort 250 ml cocacola one must eat 1.3kg of ice at zero degrees…

Värmeöverföring Hur 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 värmetransport Vid 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 Metaller och keramer har olika konduktivitet. Metaller har en god konduktivitet för värme för att deras yttre elektroner är löst fasthållna (samma anledning till att de har en god konduktivitet för elektrisitet). Dessa elektroner utgör en fritt flödande fluid inuti soliden vilket enkelt överför kinetisk energi från en molekyl till en annan. I fallet värme är konduktion samma som värmeledning. Håller man ena ändan av en järnspik i en ljuslåga, kommer snart hela spiken att bli varm på grund av konduktion av värme genom järnet. Vätskor och gaser, eftersom deras molekyler har ett relativt långt avstånd mellan dem så är de dåliga för konduktivitet. Värmemängd/tidsenhet = värmeledningstal x tvärsnittsyta x drivande kraft (tempskillnad) / transportsträcka

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

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°C Vatten = 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 innehållet k = 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 Värmeöverföringen när molekylern i en fluid (vätska eller gas) rör sig från en varmare område till en kallare. Man kan se detta som en kombination av konduktivitet och blandning. Energetiska molekyler flyttas från ett ställe till ett annat och kolliderar sedan med långsammare (kallare) molekyler.

Konvektion: Värmeöverföring i fluider 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

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 h W/m²·ºC (värmeövergångstal) Luft fri konvektion 5-25 W/m²·ºC påtvingad 10-200 W/m²·ºC Vatten fri konvektion 20-100 W/m²·ºC påtvingad 50-10000 W/m²·ºC Kokande vatten 3000- 100000 W/m²·ºC

20ºC Konvektion: exempel 100ºC 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

Hur snabbt kan något värmas upp? 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? mitten yta a 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. 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 particlar skapar elektromagnetiska fält vilka kan röra sig genom rymden och skapa eller ändra rörelsen 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 = 5.6710-8 W/m²ºK4 q=3696 W

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 temperaturfördelning svår att förutsäga Kantvärmning Fokusering/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 early pressure cooker, called a steam digester, was invented by Denis Papin, a French physicist, in 1679. Because water's boiling point increases as the pressure increases, the pressure built up inside the cooker allows the liquid in the pot to rise to a temperature higher than 100 °C (212 °F) before boiling. Most pressure cookers have an internal pressure setting of 15 psi (232 kPa) , the standard determined by the USDA in 1917. At this pressure water boils at 125 °C (257 °F). The higher temperature causes the food to cook faster. Cooking times can be reduced by a factor of three or four. For example, shredded cabbage is cooked in one minute, fresh green beans take about five, small to medium-sized potatoes (up to 200 g) may be ready in five minutes or so and a whole chicken takes no more than twenty-five minutes. It is often used to simulate the effects of long braising or simmering in shorter periods of time. Höjden över havet påverkar kokningstemperaturen Hur fungerar en tryckkokare?

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 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 värmning från sidorna/toppen 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