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 energimängd som tar hänsyn till hur energi kan lagras inom ett material Mäts bl. a. i °C, grader Celsius Anders Celsius, 1701-1744 Professor i astronomi, som även omfattade geografi och meteorologi, Graderade sin kvicksilvertermometer 0 grader = kokande vatten, 100 grader = smältande is Specifik värmekapacitet (värmekapacitivitet, specifik värme) Om man tillför M kg av ett visst material energimängden Q , ökar temperaturen proportionellt med energimängden, men olika mycket för olika material Temperaturökning = ( tillfört värme / mängd material) / värmekapacitivitet 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 Hur mycket energi för att värma upp 1 kg potatis ? 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 mycket energi för att värma upp 1 kg potatis ? Q=M x cp x (T-T0) = 1 kg x 4 kJ/kg, °C x (100-20)°C = 320 kJ 1 kJ= 1/4,2 kcal (kcal = allmänhetens ”kalori”) potatis innhåller 90 kcal/100 g och energin i 85 g potatis (eller 8.5 g olja) räcker då för uppvärmningen av 1 kg Hur mycket energi för att värma upp 1 kg potatis ? Q=M x cp x (T-T0) = 1 kg x 4 kJ/kg, °C x (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 500 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 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) % jämfört med 200°C Värmöverföring i strålningsugn (mot 100°C yta) 300% 250% 200% 150% 100% 50% 0% 100 150 200 temperatur °C 250 Hur snabbt kan värme transporteras GENOM en viss tjocklek av olika material? Värmeledning: värmemängd/tidsenhet = yta x värmeledningstal x drivande kraft / tjocklek Hur snabbt kan värme transporteras GENOM en viss tjocklek av olika material? Värmeledning: värmemängd/tidsenhet = yta x värmeledningstal x drivande kraft / tjocklek Konvektion värmemängd/tidsenhet = yta x värmeledningstal / skenbar tjocklek x drivande kraft = yta x värmeövergångstal x drivande kraft Värmeövergångstal vid konvektion Beror på mediets • värmeledningstal, • värmekapacitet • strömning (”skenbar skikttjocklek”) Värmeledningstal W/(m °C) • • • • • • vatten = CHO = protein = fat = is = luft= 0.57 0.20 0.18 0.18 2.22 0.026 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 / (täthetxvärmekapacitivitet) Typiska värden Vatten, potatis: 1,5 10-7 m2/s, bröd 2 10-7 m2/s ”Hur långt har vi nått med värmningen” 0 – ingenting 1 – det hela T=temperatur, T0= ursprungstemperatur, Ta=yttertempertatur stort djup, kort tid ”på vilket djup, vid vilken tid” x=djup, t=tid, a=värmediffusivitet En stor potatis 0°C grader läggs i kokande vatten 100°C. Hur djupt når 70°C gränsen på 5 min? ~0.25 = X / √ (4 x1,5 10-7 x300) X ~ 0.003 m Karakteristiskt penetrationsdjup ~djupet där temperaturutjämningen har nått ca halvvägs i ett platt paket karakteristiskt penetrationsdjup, cm 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0 10 20 30 40 tid minuter 50 60 70 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 water water ice 25 95 -12 Penetration depth in cm (2450 MHz) 1,4 5,7 1100 bread potato , raw mashed potato 25 25 25 2 ... 5 0,9 0,8 peas, carrots meat paper, cardboard 25 25 25 1 0,9 ... 1,2 20 ... 60 wood porcelain polyvinylchloride20 25 25 20 8 ... 350 56 210 teflon quartz glas 25 25 9200 16000