vatten/is

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
Caloric teori (1700-1800)
värme är ett osynligt ämne

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.
Mitt kaffe är
kallt!
Då häller du
bara i lite
caloric
Caloric teorin förklarade vad folk
observerade, de förstod inte att värme är
energi i förhållande till molekylär rörelse
Gas
Solid iskub
Flytande vatten
Vattenånga
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


Count Rumford
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.


James Prescott Joule
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.
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)
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
Temperatur vs. värme?
FRÅGA
1) Vad är skillnaden mellan värme och
temperatur?
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
Specifik värmekapacitet Cp
Ämne
Järn
Aluminium
Vatten
Vattenånga
Is
Etanol
Protein
Fett
kolhydrater
Luft
Cp (kJ/(kg·°C))
0,45
0,90
4,18
2,08
2,05
2,44
1,55
1,67
1,42
1,00
FRÅGA

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
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
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?
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.
T
q   kA
x

Förloppet bestäms av temperaturskillnad,
tjocklek och konduktivitet
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

q  kA
T
x
q  17W / m 2 º C  (0.5m  0.5m) 
250º C  90º C 
(0m  0.01m)
1cm
q  68000W  68kW
250ºC
90ºC
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
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
q  hA(Tobj  T )
h W/m²·ºC (värmeövergångstal)
Luft
fri konvektion
påtvingad
Vatten fri konvektion
påtvingad
Kokande vatten
5-25 W/m²·ºC
10-200 W/m²·ºC
20-100 W/m²·ºC
50-10000 W/m²·ºC
3000- 100000 W/m²·ºC
Konvektion: exempel

100ºC
20ºC
Vad är det initiala värmeöverföringsförloppet hos ett ägg i kokande vatten?
–
–
–
h= 10 000 W/m²ºC
A= 0.0078 m²
T = 100ºC, Tobj=20ºC
q  hA(Tobj  T )
q  10000W / m²º C  0.0078m²  (20º C  100º C )
q  6240W
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
Vatten, potatis: 1,5 10-7 m2/s
Kött: 1 10-7 m2/s
Bröd: 2 10-7 m2/s
Hur snabbt värms ett platt paket?
mitten
yta
1000 s
a värmediffusivitet,
anta 1 10-7 m2/s
b paketets halva
tjocklek,
anta 0.01m
t tid i sekunder
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.
Strålning: exempel


I köket, vid grillning, bakning, mm: glöd eller
ungsväggar strålar värme.
Hur mycket ett material strålar beror på
temperatur och ”emissivitet” strålningstal
q     A T
–
–
–
4
A
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

–
Vakuumtorkning

–
Vattnet kokar vid
högre temperatur
Vattnet torkas bort vid
lägre temperatur
Saltlösningar

Vattnet kokar vid
högre temperatur
Infrysning




Kristallbildning i rent vatten
Koncentrationshöjning av lösta ämnen i
flytande vatten
Långsam infrysning ger stora kristaller
Snabb infrysning ger små kristaller
Infrysningskurva
Temperatur (°C)
30
20
10
0
-10
0
10
20
30
-20
-30
Tid (min)
40
50
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 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