Värmelära eld och is

1. Värmelära eld och is TNK201

2. 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

3. 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

4. Gas Flytande vatten Vattenånga Caloric teorin förklarade vad folk observerade, de förstod inte att värme är energi i förhållande till molekylär rörelse 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.

5. 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 • 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

6. 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)

7. 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

8. Temperatur vs. värme? FRÅGA 1) Vad är skillnaden mellan värme och temperatur?

9. Värme och temperatur Värme  =  värmeenergi, kanintegåförlorat.  Mätsi J (joule), tidigareikalorier Temperatur = ett (termodynamisktexakt) definieratmåttavtillstånd. Ungefärettmåttpåhursnabbtatomerellermolekylerrör sig. Mätsbl.a. i°C, grader Celsius

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

11. 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

12. 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

13. FRÅGA • Hur mycket energi krävs för att koka upp 1L vatten? Q = m x cp x (T-T0) = 1 kgx 4 kJ/kg,°Cx (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

14. 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

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

16. 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?

17. 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

18. 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)

19. Värmeöverföring i matlagning I vilka matlagningprocesser finns det: Konduktion? Konvektion? Strålning?

20. 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

21. 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

22. 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

23. 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

24. 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

25. 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

26. Konvektion: Värmeövergångstal • Beror på mediets • Värmeledningtal • Värmekapacitet • Strömning (skenbar skikttjocklek) • Kan vara • Påtvingad konvektion med hjälp av pumpar, fläktar, mm • Fri konvektion pga densitetsskillnader

27. 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

28. 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

29. 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

30. 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

31. 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.

32. 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

33. 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

34. 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 • Kantvärmning • Fokusering/stående vågor (potatis, bullar)

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

36. 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

37. Infrysning • Kristallbildning i rent vatten • Koncentrationshöjning av lösta ämnen i flytande vatten • Långsam infrysning ger stora kristaller • Snabb infrysning ger små kristaller

38. Infrysningskurva

39. 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

40. Sätt att värma • Stekning i panna Försumbar värmning från sidorna/toppen Lokal torkning i botten Utan olja: mycket dålig värmeöverföring • Stekning i panna under lock som ångkokning om vatten finns

41. 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