Vrme Petr Dejmek Vrme och temperatur Vrme vrmeenergi

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, Grade 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 Järn Aluminium Vattenånga Is Etanol Protein Fett kolhydrater Luft Cp (k. J/(kg·°C)) 0, 45 0, 90 4, 18 2, 05 2, 44 1, 55 1, 67 1, 42 1, 00

Hur mycket energi för att värma upp 1 kg potatis ? Q=M x cp x (T-T 0) = 1 kg x 4 k. J/kg, °C x (100 -20)°C = 320 k. J 1 k. J= 1 k. Ws: en snabbplatta på spisen ger ca 2 k. W, 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-T 0) = 1 kg x 4 k. J/kg, °C x (100 -20)°C = 320 k. J=76 kcal 1 k. J= 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-T 0) = 1 kg x 4 k. J/kg, °C x (100 -20)°C = 320 k. J 1 k. J= 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 = CHO = protein = fat = is = luft= 0. 57 0. 20 0. 18 2. 22 0. 026

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, 2 W/(m , °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 m 2/s, kött 1 10 -7 m 2/s, vatten, potatis: 1, 5 10 -7 m 2/s, bröd 2 10 -7 m 2/s

Hur snabbt värms ett platt paket? mitten yta 1000 s Här: a värmediffusivitet, anta 1 10 -7 m 2/s b halva paketets tjocklek, anta 0. 01 m t tid i sekunder 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 95 1, 4 5, 7 ice bread potato , raw mashed potato -12 25 25 25 1100 2. . . 5 0, 9 0, 8 peas, carrots meat paper, cardboard wood porcelain polyvinylchloride 20 teflon quartz glas 25 25 25 20 25 25 1 0, 9. . . 1, 2 20. . . 60 8. . . 350 56 210 9200 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 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 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 125 C tar det 5 h för skinkans yta att komma till 100 C • (bättre värmeöverföring i konvektionsugn) • När ytan nått 100 C, påverkas den inre värmningen inte längre av ugnstemperaturen