View
70
Download
0
Category
Preview:
DESCRIPTION
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. Mitt kaffe är kallt!. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
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
Solid iskub Hetare ångaFlytande vatten
Gas
Vattenånga
men ledde till vissa viktiga koncept:Specifikt värme: mängden caloric att höja en enhet av massa 1ºC, Black 1766Konduktion: ledningsförmågaIngenhousz 1789, och Rumford 1792.
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
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 = ºC1,8 + 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?
FRÅGA1) 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)
-273°C 0°C
Energimängd per kg
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 Cp (kJ/(kg·°C))Järn 0,45Aluminium 0,90Vatten 4,18Vattenånga 2,08Is 2,05Etanol 2,44Protein 1,55Fett 1,67kolhydrater 1,42Luft 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)
-273°C 0°C
Energimängd per kg
100°C
334 kJ/kg
2260 kJ/kg
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?
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
Drivande kraft för värmetransportVid 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.
Förloppet bestäms av temperaturskillnad, tjocklek och konduktivitet
x
TkAq
Konduktion: exempel
Konduktion genom en stålplatta 250ºC på en sida, 90ºC på den andraGeometri: 1 cm tjock, 50cm x 50cm, k=17 W/m·ºC konduktivitet
kWWq
mm
CCmmCmWq
x
TkAq
6868000
)01.00(
º90º250)5.05.0(º/17 2
1cm
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°CVatten = 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 innehålletk = 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)
Konvektionvärmemängd/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
)( TThAq obj
h W/m²·ºC (värmeövergångstal)
Luft fri konvektion 5-25 W/m²·ºCpåtvingad 10-200
W/m²·ºCVatten fri konvektion 20-100 W/m²·ºC
påtvingad 50-10000 W/m²·ºC
Kokande vatten 3000- 100000 W/m²·ºC
Konvektion: exempel
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
Wq
CCmCmWq
TThAq obj
6240
)º100º20(²0078.0º²/10000
)(
20ºC100ºC
Hur snabbt kan något värmas upp?
Materialparameter måste ta hänsyn både till värmeledningstal och värmekapacitet
Temperaturledningstal, värmediffusivitet= värmeledningstal / (täthet x värmekapacitivitet)
Typiska värdenOlja: 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
Hur snabbt värms ett platt paket?ytamitten
värmediffusivitet, anta 1 10-7 m2/s
b paketets halva tjocklek, anta 0.01m
t tid i sekunder
1000 s
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
– T.ex. vad är strålningsvärme fran en gjutjärnsgrill 50cm i diameter vid 540ºC?
=0.66, Stefanboltzman konstant = 5.6710-8 W/m²ºK4
– q=3696 W
4ATAq
Mikrovågor
Elektromagnetiskt fält, påverkar laddningarÖverför 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 matytorExakt temperaturfördelning svår att förutsäga
KantvärmningFokusering/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
Vattnet kokar vid högre temperatur
– Vakuumtorkning 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
Sätt att värma
KokningAlltid bra värmeöverföring (konvektion)Stormkokning vers sjudning - mest skillnad i
omrörningVäldig skillnad i värmeförluster med/utan lock
ÅngkokningBra värmeöverföring, Ger mindre vattenombyte på ytan = mindre
extraktion
Sätt att värma
Stekning i panna Försumbar värmning från sidorna/toppenLokal torkning i bottenUtan olja: mycket dålig värmeöverföring
Stekning i panna under locksom 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 konvektionsugnNär ytan nått 100C, påverkas den inre
värmningen inte längre av ugnstemperaturen
Recommended