Hvad der sker med fysikken ved nedkøling

14. november 2016

Hej Spørg om Fysik
I vores hus har vi en debat vedrørende brugen af vores termokande, J.

Min bedre halvdel er af den opfattelse, at det er en fordel at "forvarme" termokanden ved at fylde den med varmt vand og tømme den, lige før man hælder friskbrygget kaffe i termokanden.

Jeg derimod, er af den overbevisning, at denne "forvarmning" ikke har nogen som helst virkning.

Jeg ville blive glad for at høre dit synspunkt - mange tak på forhånd.

Med venlig hilsen
M D

Varm eller kold væske i en beholder vil typisk opnå nogenlunde samme temperatur som omgivelserne, såfremt man ikke varmer den op eller køler den ned. Lad os fokusere på varme væsker.

Nedkølingen foregår via varmeledning gennem beholderens sider, varmestråling (infrarød stråling) samt fordampning. For at holde en væske varm skal disse effekter minimeres. Fordampningen fra en termobeholder reduceres ved at lukke den, altså ved at anvende en prop eller lignende. Fordampning, især ved træk eller vind, der fjerner vanddampene, kan medføre betydelige energitab og dermed afkøling. Derfor blæser vi nogle gange på meget varm mad.

Varmeledningen kan reduceres ved at konstruere beholderens vægge af et materiale med dårlig varmeledningsevne, som eksempelvis glas. "Flamingoskum" (styropor) er ligeledes en dårlig varmeleder. Man kan opbevare flydende nitrogen ved -196 °C i en flamingoskumsspand med en vægtykkelse på få centimeter i relativt lang tid. Gode varmeledere, som ikke er egnede til dette formål, omfatter de fleste metaller, dog er rustfrit stål en dårligere varmeleder. De fleste ved, at man brænder sig, hvis man rører i kogende væske med en ske af sterlingsølv, mens det går fint med rustfrit stål. Sølv har en varmeledningsevne på 427 W/(mK), mens rustfrit stål har 16,3 W/(mK), altså ca. 25 gange mindre. For styropor er varmeledningsevnen 0,04 - 0,14 W/(mK), hvilket er betydeligt mindre, og for glas er den ca. 1 W/(mK).

Stråling: Strålingen afhænger af den absolutte temperatur i fjerde potens, hvilket beskrives af Plancks strålingslov. Den absolutte temperatur måles fra det absolutte nulpunkt, som er - 273 °C. Dermed er den absolutte temperatur for 0 °C lig med 273 K (Kelvin, temperaturenheden har samme inddeling som °C, men et andet startpunkt), og kogende vand er 373°C. Strålingen fra et sort legeme ved 100 °C i forhold til 0 °C er derfor (373/273)⁴ gange større = 3,5 gange større.

Se også:

Ved fremstilling af termokander er de to mest anvendte metoder enten at benytte styropor som isolering, hvor man af hygiejniske årsager ofte bruger en inderbeholder af plastik eller metal og en yderbeholder af metal eller plastik med håndtag osv.

Alternativt kan man anvende vakuumisolering (da vakuum ikke leder varme) i form af et dobbelt forspejlet glaskar med vakuum mellem fladerne, også kaldet et Dewarkar. Indersiden af begge glasflader er belagt med et tyndt lag aluminium, hvilket giver flasken et spejlende udseende. Disse lag reducerer strålingen markant. For yderligere forbedring kan man i vakuumdelen tilføje mange lag tyndt plastik med aluminiumsbelægning, hvilket reducerer strålingen yderligere. Her er der stadig behov for en yderbeholder med håndtag osv. Se desuden spørgsmål om varmeisolation.

Når varm kaffe hældes i en kold flaske, falder temperaturen, da inderflasken skal opvarmes, hvilket typisk er en rustfri stålinderside eller plastik i styropor-modellen. Desuden sker der fordampning under påfyldningen. Herefter nedkøles kaffen gradvist via varmeledning, delvist gennem halsen, hvor inderflasken normalt er forbundet til yderflasken, og delvist gennem isolationslaget, afhængigt af tykkelsen og kvaliteten. Endelig bidrager stråling også. I Dewar-modellen er der minimal varmeledning i termoflaskens hals, da glas er en dårlig varmeleder. Ligesom ved styroporbeholderen skal indersiden opvarmes. Glas har en varmekapacitet på ca. 0,84 kJ/(kg K), rustfrit stål har 0,51 kJ/(kg K), og styropor ca. 1,4 kJ/(kg K), så alle materialer bruger varmeenergi til opvarmningen, hvilket er i samme størrelsesorden som de anvendte mængder. En god termokande med 1 liter vand burde teoretisk kun tabe mellem 2 og 5 grader i timen, afhængigt af kvaliteten. Test viser, at de fleste termokander falder til mellem 55 °C og for de bedste 43 °C på 20 timer.

Ved forvarmning af en termokande med en kopfuld vand nær 100 °C og efterfølgende lukning med prop, vil man i de fleste tilfælde kompensere for det temperaturtab, der ellers ville forekomme i den første time. Det er vigtigt at lukke proppen, så de varme dampe fra vandet kan opvarme hele indersiden af termokanden. Overvejelsen er derfor, om udgiften til opvarmning af vandet opvejer afkølingen, afhængigt af hvor hurtigt kaffen drikkes.

Det er noget, mange selv kan undersøge. Med et termometer, der kan måle op til 100 grader, f.eks. et digitalt stegetermometer, kan man verificere målingen ved 100 °C ved at dyppe termometerets føler i kogende vand. Derefter kan man fylde termokanden med kogende vand og måle temperaturen med det samme for at finde afkølingen fra varmekapaciteten. Efter lukning med prop kan temperaturen måles en gang i timen, indtil den er for lav. Dette giver en vurdering af kvaliteten. En god termokande bør ende på 55 °C efter 20 timer, mens en middelmådig ender på 45 °C. De fleste termokander forringes over tid, især de isolerede, hvis der trænger vand ind i isolationen. Termokander er lige så effektive til at holde drikkevarer kolde, f.eks. til stranden.

Min konklusion: Uanset termokandetype vil kaffen have en højere temperatur, hvis kanden er forvarmet. Størrelsen af temperaturforskellen afhænger af termokandens type. Om det er mere fordelagtigt at bruge energi på at forvarme vand eller lave mindre kaffe hyppigere afhænger af den enkeltes smag og forbrug, samt kandens kvalitet. En smule forvarmning er nok det mest almindelige.

Med venlig hilsen
Malte Olsen