Värme

1. Värme Petr Dejmek

2. 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

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

4. 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

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

6. 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)

7. 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

8. Hur mycket energi för att värma upp 1 kg potatis ? 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

9. Hur mycket energi för att värma upp 1 kg potatis ? Q=M x cp x (T-T0) = 1 kgx 4 kJ/kg, °Cx (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

10. Hur mycket energi för att värma upp 1 kg potatis ? Q=M x cp x (T-T0) = 1 kgx 4 kJ/kg, °Cx (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

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

12. 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)

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

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

16. 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

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

18. Värmeövergångstal, W/(m2, °C)

19. 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

20. 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

21. 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

22. 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 temperturfördelning svår att förutsäga • Kantvärmning • Fokusering/stående vågor (potatis, bullar)

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

25. 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

26. 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

27. 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