Тепло и нагрев можно смело назвать первопричинами появления кулинарии как вида человеческой деятельности, а что еще важнее - использование тепла полностью изменило питание людей. Если до тепловой обработки предки людей питались сырой пищей, то тепло и жар изменили как свойства пищи, так и процессы в организме, при усвоении приготовленной пищи. Тепло изменило вкус и текстуру пищи, оно породило сотни вариаций блюд из одних и тех же продуктов. Сегодня все кухни мира используют тепло для приготовления блюд, для любого повара тепло — это основной его инструмент, поэтому знать как оно работает — первая потребность повара. В этой статье я хочу рассмотреть базовые знания людей о тепле, и то, как его можно эффективно применять на практике.
Но что мы знаем о тепле? Интуитивно мы знаем, что тонкий кусок мяса готовится быстрее, чем толстый, даже если никогда не видели математических расчетов, определяющих разницу во времени приготовления. Мы понимаем, что если долго готовить продукт то он скорее всего приготовится и будет вкусным.
Другими словами, мы понимаем, что приготовление пищи — не только искусство, но и физический процесс, подчиняющийся научным законам. Большинство этих законов описывают то, как энергия проникает в пищу и что в результате этого с пищей происходит. Энергия, передаваемая, например, в виде тепла вызывает необратимые физические и химические изменения, которые превращают пищу из сырой в приготовленную. Когда шеф-повары обсуждают тонкости вкуса, текстуры, аромата и прочего, часто идет речь о том, как энергия в ее различных формах изменяет пищу.
Поскольку взаимодействие пищи и энергии имеет фундаментальное значение для приготовления пищи, знание основ физики и теплопередачи могут значительно уменьшить число неудач и разочарований процессом приготовления. Как отличный рецепт строится на основе качественных продуктов, так и все виды термообработки основываются на передаче тепла и превращениях энергии.
Но перед тем, как мы углубимся в научные основы тепла в кулинарии, рассмотрим историю знакомства людей с теплом.
История тепла
Человек начал осваивать тепло еще задолго до того, как превратился в человека разумного. Люди, обнаружив огонь, возникший после удара молнии, начали его использовать, а спустя некоторое время научились разводить его самостоятельно с помощью трения палки о бревно. Известны достоверные свидетельства регулярного использования огня около 400 тыс. лет назад! Тогда люди использовали огонь для обогрева и приготовления еды, в основном мяса, ведь когда кусок поджарен, он имеет намного более приятный вкус и аромат, его проще есть и он лучше усваивается организмом.
Первым из ученых, а точнее философов (науки еще не было), на огонь обратил внимание древнегреческий философ Гераклит, живший около 500 г. до н.э. Гераклит рассуждал о первопричинах мира, и считал, что тремя основными элементами природы являются огонь, земля и вода. При этом огонь он считал центральным элементом — главным первоначалом мира, а два других лишь его состояниями. Гипотеза о том, что тепло — это форма движения, была первоначально выдвинута лишь в двенадцатом веке. Человечество и наука развивались, появлялись новые теории, и в конце концов сегодня мы имеем физическую модель тепла, которая говорит, что тепло — это движение частиц.
Уже в наше время люди узнали, что продукты, подвергнутые термообработке, намного легче перевариваются и усваиваются нашим организмом, а также позволяют извлечь максимум энергии. Например, наш организм не очень приспособлен к перевариванию сырого крахмала, но приготовление превращает крахмал в желеобразную «кашицу», которую организм легко переваривает и извлекает из неё много энергии. Белки же, при приготовлении «разворачиваются», что позволяет пищеварительным ферментам легко расщепить их.
Природа тепла и температуры
Что физически представляет собой тепло и откуда оно берется? В кулинарии и гастрономии, по сути, мы имеем дело с постоянным круговоротом энергии — она нагревает еду и она же охлаждает ее, энергия преобразует вкус, текстуру и аромат продукта. По сути, готовить — это значит преобразовывать пищу из одного состояния в другое с помощью энергии, а употреблять пищу — это значит извлекать энергию из пищи и использовать для жизнедеятельности, так же преобразуя её, но другими способами.
Энергия является фундаментальным атрибутом каждой физической системы в нашей Вселенной. Классический учебник физики определяет энергию как «способность системы выполнять работу», если сказать проще, то энергия придает любой системе жизнь и приводит её в движение.
Энергия принимает множество различных форм и может перемещаться различными путями. В кулинарии наиболее распространенным способом передачи энергии является тепло. Хотя технические словари определяют тепло как передачу энергии, с точки зрения повара гораздо лучше думать о тепле как о форме внутренней энергии, которая всегда передается от вещества с более высокой температурой к веществу с более низкой температурой. Таким образом, чтобы понять что такое тепло, нам нужно представление о том, что такое внутренняя энергия и температура.
Внутренняя энергия — это сумма различных видов энергии, содержащихся в некоторой материи (которая может быть размером с один атом или даже планету). Например, в горячем печеном картофеле внутренняя энергия содержится в химических связях молекул крахмала, в паре, задерживающемся под кожурой, и даже в ядерных силах, которые удерживают атомы вместе.
Но большая часть внутренней энергии материи — это тепло. Многое из того, что мы называем теплом — накапливается в непрерывных, случайных движениях и столкновениях бесчисленного количества молекул и атомов — это называется броуновским или тепловым движением, то есть хаотичным движением и столкновением частиц. Несмотря на то, что картофель выглядит твердым, его молекулы на самом деле всегда движутся; просто движение слишком малое, чтобы увидеть его без специальных приборов. Открытие того, что молекулы всех веществ — твердых, жидких и газообразных — постоянно сталкиваются, было одним из выдающихся достижений физики.
В любом теле молекулы ведут себя так: когда сталкиваются две молекулы они передают импульс и энергию друг к другу. Более быстрая молекула замедляется, а более медленная молекула ускоряется. В газе молекулы перемещаются и наталкиваются на своих соседей во всех направлениях. В твердых телах частицы обычно связаны друг с другом кристаллической решеткой, поэтому их движения более ограничены, но тем не менее, они постоянно как бы «дергаются», отскакивая друг от друга.
Чем быстрее движутся частицы внутри вещества, тем внутренняя энергия вещества больше. Если бы мы измерили скорость каждой молекулы в один момент, то обнаружили бы, что некоторые из них неподвижны (или почти неподвижны), некоторые движутся очень быстро, а скорости остальных распределены между этими двумя крайностями, но
даже в сверхгорячей плазме, подобной поверхности Солнца, некоторые частицы остаются неподвижными в любой момент. Удивительно, не правда ли?
Но по правде говоря, то что мы на самом деле ощущаем и что имеет значение именно при приготовлении пищи — это средняя скорость всех молекул. Поэтому существует простой и всем известный показатель средней скорости молекул — температура.
Когда термальные миры сталкиваются
Достаньте стейк из холодильника и выложите его на горячую сковороду. Как известно каждому повару, холодный стейк начнет жариться и охладит сковороду, а горячая сковорода разогреет стейк. Как можно догадаться, на поверхности, где они соприкасаются, молекулы сковороды сталкиваются с молекулами стейка. В среднем молекулы сковороды движутся быстрее, чем молекулы стейка и когда они сталкиваются, каждая быстро движущаяся молекула замедляется, а медленная — ускоряется.
Таким образом, мы приходим к одному из фундаментальных законов теплопередачи: тепловая энергия течет только в одном направлении — от более горячей (с более быстрым движением, более высокой температурой) материи к более холодной (с более медленным движением, более низкой температурой) материи.
Почему плита греет?
Подумайте о том, откуда в первую очередь берется тепло, передаваемое от сковороды к мясу, Из школьного курса физики нам известно, что энергия не может появиться из ниоткуда и пропасть в никуда. Тепло в плите появляется от преобразования одного вида энергии в другую форму, например электрической энергии в тепловую (как в электрической или индукционной плите) или энергии химических связей в тепловую (в случае газовой плиты или дровяной печи).
Без какого-либо внешнего источника энергии, для поддержания температуры сковороды, тепло будет переходить от сковороды к стейку до тех пор, пока их температуры не выровняются, в этот момент сковорода и стейк окажутся в "равновесии". Например, горячая чашка кофе со временем остынет до комнатной температуры (но не ниже!) только потому, что в ней недостаточно внутренней энергии, чтобы нагреть помещение до собственной температуры.
Скорость, с которой тепло передается от сковороды к стейку пропорциональна разнице температур между ними — чем больше разница, тем быстрее передается тепло. Повара используют это свойство (хотя и неосознанно), когда обжаривают стейк на по-настоящему горячей сковороде, что позволяет создать хорошую корочку и не пережарить его внутри. Однако разница температур не единственный фактор, который может ускорить или замедлить нагрев.
Скорее всего вы замечали, что некоторые продукты или кухонная утварь нагревается быстрее, чем другие при аналогичных условиях. Чтобы понять почему это происходит, требуется больше узнать о том, как различные материалы реагируют на изменение внутренней энергии.
Способность к изменениям
Различные материалы отличаются по своей реакции на тепло. Эти различия вызваны многими факторами — размер, масса, сложность и химический состав атомов и молекул вещества — всё это играет роль. Температура и давление также могут влиять на количество энергии, необходимое для повышения температуры материала на градус. Ученые называют этот параметр удельной теплоемкостью вещества.
Удельная теплоемкость выражается как количество энергии, необходимое для нагрева заданного количества массы на один градус, или если говорить проще - удельная теплоемкость выражает сколько тепла потребуется, чтобы нагреть один килограмм материала на градус. Для жидкой воды удельная теплоемкость равна 4190 джоулей на килограмм - градус Цельсия (сокращенно: 4190Дж/кг → °C). Но удельная теплоемкость жидкой воды, пара и льда сильно различаются, ведь форма, которую принимают химические соединения, имеет значение для удельной теплоемкости. Если вы хотите повысить температуру килограмма воды на один градус, то вам потребуется 4190 джоулей. Но если вы захотите разогреть килограмм льда на один градус, тогда вам потребуется примерно вдвое меньше энергии — 2190 Дж.
Если вы решили включить кондиционер и повысить температуру килограмма воздуха (это почти кубометр воздуха) в комнате на один градус, то вам потребуется 1012 Дж, в например на нагревание меди надо ничтожные 390 Дж. Вольфрам — металл в нитях ламп накаливания, вообще обладает одной из самых низких удельных теплоемкостей — для изменения температуры вольфрама на один градус требуется всего 132 Дж.
Градусы Цельсия и Фаренгейта являются наиболее знакомыми всем шкалами измерения температуры, но кроме них существуют и другие. Шкала Кельвина использует те же градусы Цельсия, но имеет другую начальную точку: ее ноль относится к абсолютному нулю (самой низкой возможной температуре во Вселенной — -273,15 °C). Кельвин обычно используется в науке для обозначения очень низких температур. Ренкин — это Кельвин по шкале Фаренгейта, хотя он никогда не пользовался такой популярностью.
Точка невозврата
Во время приготовления в продуктах происходят необратимые изменения, как химические, так и физические. Эти изменения могут менять удельную теплоемкость продукта. Как следует из названия, необратимые изменения — это те, которые невозможно отменить. Попробуйте заморозить немного воды, затем растопить ее, прокипятить, после чего сконденсировать в пар и в итоге у вас получится та же вода, с которой вы начинали, с той же удельной теплоемкостью. Другими словами эти изменения были полностью обратимыми. Или попробуйте достать стейк из холодильника при температуре 5 °C и нагрейте его до комнатной температуры в 20 °C — это также будет обратимое изменение, ведь вы просто сделали мясо теплее, даже если вы уберете его обратно в холодильник, он будет практически таким же, как и раньше, за исключением некоторых незначительных изменений, вызванных ферментативной активностью и старением.
Однако, если вместо этого вы разогреете стейк от 40 °C до 55 °C, то внешний вид, текстура и вкус мяса сильно поменяются. Как и в предыдущем примере температура мяса повысилась всего на 15 градусов, но в этом случае нагрев вызвал химические изменения, которые превратили мясо из сырого в средне-прожаренное, далее вы можете охладить стейк обратно до 40 градусов, но он больше никогда не будет сырым. Это и есть необратимые изменения.
В большинстве случаев приготовление пищи направлено на достижение именно таких необратимых изменений контролируемым образом. Изменения такого рода обычно происходят в узких диапазонах температур и для их осуществления требуется немного тепловой энергии. Большинство трудностей при приготовлении пищи заключается в получении продуктов в этих узких температурных диапазонах, где минимальное количество энергии может вызвать резкие изменения в химическом составе.
Исследователи определяют точные температуры, при которых происходят эти изменения, отслеживая изменения удельной теплоемкости вещества по мере его медленного нагревания.
Измерение удельной теплоемкости
Чтобы измерить удельную теплоемкость продукта, исследователи используют инструмент, называемый дифференциальным сканирующим калориметром (ДСК). Машина медленно нагревает образец, градус за градусом, тщательно отслеживая, сколько именно электроэнергии она израсходовала. Чем больше энергии поступает до того, как температура образца повысится на один градус, тем выше удельная теплоемкость продукта.
Поскольку ДСК может измерять удельную теплоемкость в широком диапазоне температур, это может помочь выявить необратимые химические изменения, которые происходят при приготовлении, изменяя структуру и свойства продуктов. В умелых руках ДСК может точно определить температуру при которой разрушается кристаллическая решетка, плавятся жиры, белки денатурируют, а соки испаряются.
Как измерить температуру?
Раз небольшие изменения температуры могут существенно повлиять на процесс приготовления, то повара должны измерять температуру настолько точно, насколько это возможно. Один известный шеф-повар утверждает, что прикоснувшись шпажкой к губам, он может определить температуру лучше, чем любой термометр. Но хотя даже термометры имеют свою погрешность, они все равно превосходят показатели человеческих губ.
Термометры всегда направлены на точность, нежели скорость: самые надежные термометры, как правило, самые медленные. Двумя самыми популярными видами термометров являются:
Электронный термометр с металлическим щупом — внутри этого вида термометров находится железный шарик, заключенный в стекло, который измеряет электрическое сопротивление, которое меняется пропорционально температуре продукта.
Погрешность: ± 1,5 °C
Инфракрасный термометр — датчик этого термометра измеряет спектр длинноволнового света, который излучают все объекты, температура которых выше абсолютного нуля (-273,15 °C) и меняется в зависимости от температуры (подробнее об этом далее).
Погрешность: ± 2 °C
Контроль температуры
Не так давно, отличительной чертой умелого шеф-повара было его умение управлять огнем и определять, как далеко или близко надо держать сковороду к нагреву. Но уже давно технологии превзошли человеческий опыт и электронные приборы сейчас гораздо лучше контролируют температуру, чем человек.
В наше время для управлением температурой существует устройство называемое ПИД-регулятор (пропорционально-интегрально-дифференцирующий). Это устройство сочетает в себе высококачественные датчики температуры вместе с программным обеспечением и реле, которые регулируют нагревательный элемент. ПИД-регулятор может не только определять текущую температуру, но и скорость повышения и занижения температуры, после чего он соответствующим образом регулирует подачу тепла.
Поскольку ПИД-регуляторы предотвращают превышение или занижение заданной температуры, то они превосходно достигают и удерживают стабильное заданное значение температуры.
ПИДим ваше снаряжение!
Раз у ПИД-регуляторов такой точный контроль температуры, то у вас могло возникнуть вполне резонное желание подключить ПИД-регулятор к одному из ваших устройств и скажу вам, что это вполне возможно! Причем некоторые «изобретатели» так и делают. Раньше, старые ПИД-регуляторы приходилось настраивать под каждую плиту, датчик температуры и нагревательную поверхность, с которыми они работали, но с новыми технологиями существует ПИД-контроллеры "push-to-tune", с непрерывной адаптивной системой, которые требуют гораздо меньше времени и усилий.
Скажу даже больше, сейчас существуют ПИД-контроллеры, предназначенные под конкретные ситуации, например ПИД-контроллер, который превратит вашу рисоварку в су-вид, который будет контролировать температуру также, если даже и не лучше, чем настоящий су-вид.
Энергия, мощность и эффективность
Ватты, калории, джоули и лошадиная сила — это почти всем знакомые термины, о которых большинство редко задумывается. Все мы знаем, что они относятся к энергии или мощности, но нам может быть не очень понятно, в чем разница между двумя этими понятиями и какие единицы измерения относятся к энергии, а какие к мощности. Две эти величины довольно схожи и опираются на одно и тоже понятие — энергию.
Итак, чтобы прояснить путаницу с самого начала, с одной стороны у нас есть энергия — чистое количество не тронутое временем, а с другой стороны мощность — скорость изменения энергии, а точнее количество энергии в единицу времени. Все единицы энергии и мощности в конечном итоге связаны друг с другом, и во многих случаях их числовые значения определяются от удельной теплоёмкости воды.
Энергия
Джоуль, основная и наверное самая распространенная единица энергии, названная в честь физика Прескотта Джоуля. Джоуль, определяется как количество энергии, необходимое для ускорения массы весом в один килограмм с нуля до одного метра в секунду. Чтобы разогреть килограмм воды требуется 4190 Дж.
В мире кулинарии наиболее часто используемой единицей энергии являются калории. Калории были источником большой путаницы, поскольку две разные единицы измерения использовались одновременно. В течении многих лет ученые использовали калорию, как количество энергии необходимое для нагрева один грамма воды на один градус (примерно 4 Дж). Затем ученые-пищевики и диетологи стали использовать калорию для обозначения количества энергии, необходимой для повышения температуры уже килограмма воды на один градус, то есть в тысячу раз больше, чем в первом. Сейчас же обычно используют килокалорию (Ккал), которая нагревает один кг воды на один градус, то есть, чтобы нагреть воду до 100 градусов требуется всего 100 Ккал.
Мощность
На кухне повар обычно заботится не столько об энергии, сколько о мощности: скорости с которой энергия перетекает от одного к другому.
Базовой единицей измерения мощности является ватт (Вт), названный в честь Джеймса Уатта. Один ватт равен одному джоулю энергии в секунду. Например индукционная плита с мощностью 500 Вт будет ежесекундно передавать 500 джоулей.
В метрической системе приставка кило- означает 1000, таким образом киловатт — это тысяча ватт. Люди часто ошибочно принимают киловатты за показатель энергии, потому что бытовые счетчики электроэнергии регистрируют потребление энергии в киловатт-часах (кВтч). Киловатт-час — это количество энергии потребляемой одним киловаттом в течении одного часа, таким образом он равен 3,6 млн джоулей. Киловатт-час действительно является единицей энергии, но сам по себе киловатт это единица мощности.
Кстати, одна из самых необычных единиц мощности, которая все еще существует — лошадиная сила, которая была создана в качестве маркетингового хода для паровых двигателей в 19 веке. Для того, чтобы продать двигатель производитель хотел указать сколько лошадей он может заменить, и по сей день автомобили, газонокосилки и прочие инструменты оцениваются в лошадиных силах. Лошадиная сила — довольно большая единица измерения, эквивалентная примерно 746 ваттам.
И что мне делать с этими единицами?
Обычно меры мощности и энергии довольно просты в применении при приготовлении пищи, при условии, что вы используете метрические единицы.
Предположим у вас есть литр холодной воды 5 °C и вам нужно вскипятить его на вашей индукционной плите. Температура кипения воды равна ста градусам, а для того, чтобы нагреть килограмм воды (литр воды = килограмм воды) потребуется 4190 Дж, значит: 4190 * 95 = почти 400000 Дж. А если вы знаете ещё и мощность конфорки вашей плиты, допустим 2 кВт, то вы можете посчитать за сколько примерно нагреется вода до ста градусов: 400000 Дж : 2000 Вт = 200 сек (почти 3,5 минуты). Но проблема в том, что на самом деле не всё тепло, отдаваемое плитой, переходит в воду — много тепла уходит на нагрев воздуха, часть на нагрев посуды, часть куда-либо еще. То есть коэффициент полезного действия плиты (КПД) индукционной плиты меньше 100% и равен 56%, это означает, что лишь 56 процентов тепла попадает в воду, тогда: 200 сек : 0,56 = 360 сек (6 минут).
Эффективность
Мощность электроприборов в большинстве случаев указывается в ваттах. Количество ватт плиты относится к максимальному потреблению электроэнергии, которую она использует при работе, а не к мощности, которую она выдает во время использования. Важно различать две эти величины, поскольку ни один прибор не может быть эффективен на 100%! Не вся электроэнергия, потребляемая плитой преобразуется в тепло и не всё выделяемое тепло используется для приготовления пищи. Часть энергии может использоваться плитой и для других целей, при этом часть тепла от плиты отводится к стенкам посуды и окружающему воздуху. Доля потребляемой мощности, которую прибор преобразует в "полезное" тепло, называется КПД (эффективность). Например КПД электрических плит примерно равен 42%, индукционных — 56%, а КПД газовых плит вообще ничтожно мал — всего 30%.
Тепло, которое вы ощущаете рядом с плитой исходит как раз от "бесполезной" тепловой энергии, которая переходит не в продукт, а в воздух. Типы плит, такие как электрические и индукционные, имеют довольное высокий КПД и могут потреблять меньше ватт для разогрева сковороды, но так как газ является дешевым, то газовые плиты сейчас являются самыми дешевыми в обиходе.
Трение
Когда ваши руки замёрзли, вы можете согреть их быстро потерев их друг о друга. Сила, известная как трение, противодействует движению, а энергия, затрачиваемая на преодоление трения, превращается в тепло. Трение создаёт тепло и на кухне, хотя количество тепла часто слишком мало, чтобы им можно было что-либо разогреть. Например когда вы режете пищу ножом, возникает трение ножа о продукт и это трение немного нагревает пищу. Но вы вряд ли сможете ощутить этот эффект: он слишком слаб и быстро проходит. Однако в блендере, лезвие вращается с такой высокой скоростью, что продукты могут сильно нагреться в результате трения и при неосторожности вы можете перегреть их. Кстати, в древности люди терли палку о бревно, тем самым разжигая огонь, в основе чего также лежит трение.
Тепло в движении
Наиболее важное отличие между жаркой, варкой, запеканием, приготовлением на пару, грилем и другими способами приготовления — это режим теплопередачи, с помощью которого тепло передается продукту. При любом способе приготовления пищи может быть только три режима теплопередачи (на самом деле четыре, но подробнее об этом ближе к концу) и обычно работают они независимо и одновременно, но один из них почти всегда доминирует.
Наиболее распространенным режимом является теплопроводность, при ней проходит большая часть тепловых потоков внутри твердых веществ и между соприкасающимися твердыми материалами. Например теплопроводность переносит тепло от электрической плиты к сковороде, а она уже в свою очередь к продукту. Второй режим — конвекция, это движение горячих частиц и преобладает она в жидкостях и газах, например кипящая вода и горячий воздух. Третий вид теплопередачи — это излучение, которое состоит из волн чистой энергии, например солнечный свет. Микроволновки и угольные грили работают в основном за счет использования теплового излучения.
Каждый из трех режимов теплопередачи работает как интуитивно понятным способом, так и другими, которые вызывают удивление. Чем лучше вы поймете, как они передают энергию в пищу, тем эффективнее вы сможете использовать их при приготовлении.
Как ведет себя тепло
Теплопроводность — это передача тепла при непосредственном контакте твердых тел, от более теплого к более холодному. Частицы твердых тел сталкиваясь и вибрируя обмениваются энергией и позволяют ей распространиться по телу, либо от одного объекта к другому. Вы можете подержать руку над горячей плитой несколько секунд и не обжечься, однако прикоснитесь к самой конфорке и вы сразу почувствуете, как работает теплопроводность. Прогрев сердцевины продукта почти полностью зависит от теплопроводности, которая передает энергию с поверхности продукта внутрь. Такой способ приготовления на плите, как обжаривание на сковороде, использует теплопроводность для передачи тепла от плиты к сковороде, а от нее к продукту.
Также стоит уточнить, что некоторые материалы быстрее распространяют тепло, чем другие. Теплопроводность — это показатель того, насколько быстро материал проводит и отдает тепло. Например, прихватки для духовки обладают очень низкой теплопроводностью и очень долго нагреваются — они являются изолятором. Материалы с высокой теплопроводностью обычно используют для теплоотводов, а с низкой теплопроводность (изоляторы) — в качестве теплоизоляции. Также важно не путать два разных понятия теплопроводности: первое обозначает вид теплопередачи, а второе то с какой скоростью тепло распространяется и выходит из тела.
Величина теплопроводности зависит от нескольких факторов главным образом: чем правильнее и прочнее кристаллическая решетка вещества, тем лучше тепло распространяется по нему, ведь стоит одному атому в плотной кристаллической решетке начать вибрировать и толкаться - атомы рядом с ним также начнут вибрировать и толкать уже своих соседей, начнется цепная реакция. По этой же причине газы и жидкости имеют низкую теплопроводность — их атомы не скреплены кристаллической решеткой и находятся далеко друг от друга, поэтому столкновений намного меньше, а значит тепло будет передаваться медленнее.
Существует еще один важный фактор, влияющий на теплопроводность — это свободные электроны. Они перемещаются между атомами и сталкиваясь с ними, передают энергию. Свободные электроны — это причина по которой металлы имеют высокую теплопроводность — большое количество свободных электронов в металлах в сочетании с плотной кристаллической решеткой быстро распространяют тепло, поэтому металлическая посуда очень эффективна.
Например, стальная столешница прохладна на ощупь, потому что тепло быстро передается от ваших пальцев к более холодной металлической столешнице, тогда как прихватки такой же температуры будут казаться вам менее холодными, ведь они медленно "впитывают" тепло ваших рук. Алмазы даже называют "льдом", ведь их теплопроводность в четыре раза выше чем у меди, теплопроводность которой и так считается очень высокой — из-за того, что атомы алмаза скреплены в очень правильную и прочную кристаллическую решетку.
Тепловые характеристики посуды
Сковородки с алмазным напылением пока не используются, но медные кастрюли довольно популярны из-за распространенного мнения, что в них приготовление пищи происходит более эффективно. Повара как правило зациклены на качестве своих кастрюль и сковородок, некоторые повара даже проявляют повышенный интерес к теплопроводности посуды. Понимают они или нет, но теплопроводность — не единственное, что их должно интересовать. Идеальная сковорода должна быть изготовлена из материала, который не только позволяет теплу свободно перемещаться, но и очень равномерно распределяет тепло, не создавая перегретых или переохлажденных зон.
Сковорода с высокой теплопроводностью не позволит достичь обеих целей, если она будет слишком тонкой, поскольку тепло будет поступать непосредственно от конфорки через сковороду к продукту, не распространяясь сначала в стороны по материалу сковороды. Таким образом, можно предположить, что для равномерного нагрева дно посуды должно быть достаточно толстым, чтобы дать время теплу распространяться при вертикальном подъеме еще и по горизонтали. Посуда также должна быстро реагировать на включение или выключение конфорки, но быть не слишком чувствительной, чтобы поддерживать стабильную температуру при незначительных колебаниях температуры источника тепла. Выражаясь научным языком — важна не только теплопроводность, но и теплоемкость материала посуды. К сожалению, производители не всегда предоставляют информацию о теплоемкости своих изделий, да и рассчитать её непросто, так как нужно знать толщину дна, удельную теплоемкость материала, из которого изготовлена посуда, и его плотность.
Плотность на удивление важна! Считается, что алюминий обладает самой высокой удельной теплоемкостью (то есть, для повышения температуры алюминия необходимо затратить много энергии на единицу массы), однако известно, что алюминий нагревается быстро. Почему? Причина по большей части в том, что этот металл легкий и имеет низкую плотность, следовательно, потребуется нагреть небольшое количество массы и потребуется меньше энергии. Чугун, напротив, обладает удельной теплоемкостью почти в два раза меньше, чем у алюминия и можно подумать его можно быстро разогреть. Но чугунная сковорода нагревается медленно и получается удивительно однородной температуры, как раз из-за того, что чугун очень плотный и потребуется нагреть большое количество массы (на самом деле не только поэтому, но об этом далее).
Однако, чтобы не задумываться о влиянии каждой из перечисленных величин на нагрев материала, существует более сложный и общий параметр — температуропроводность. Он учитывает влияние всех трех величин — теплопроводности, удельной теплоемкости и плотности, и выражается в м²/с.
Если говорить простым языком, коэффициент температуропроводности показывает, насколько быстро и равномерно распространяется тепло в конкретном материале — чем больше этот коэффициент, тем лучше. Хотя оба параметра теплопроводность и температуропроводность словесно похожи и характеризуют способность материала проводить тепло, между ними есть огромная пропасть. Теплопроводность показывает как быстро тепло распространяется по материалу, температуропроводность же учитывает теплопроводность, плотность и удельную теплоемкость, поэтому она полнее отражает характер распространения тепла в материале.
В качестве примера приведу коэффициенты температуропроводности различных материалов: медь — 114,8 мм²/с, алюминий — 48,8-73,3 мм²/с, чугун — 16,6 мм²/с, нержавеющая сталь — 3,2 -11,7 мм²/с. Таким образом, самой быстрой и равномерной в распределении тепла является медная сковорода и именно поэтому она считается лучшей (хотя, конечно, далеко не во всех случаях).
Однако, не стоит недооценивать другие материалы из-за этого показателя. Например, чугун обладает совершенно уникальными свойствами, благодаря своей низкой теплопроводности, высокой удельной теплоемкости и тому, что чугунная посуда, как правило изготавливается с толстыми стенками — чугун медленно набирает температуру, но долго сохраняет тепло и медленно его отдает.
Например, если вам нужно пожарить много мяса, можно заполнить им хорошо разогретую чугунную сковороду и температура сковороды при этом резко не упадет, а мясо будет жариться, а не тушиться. Однако если сделать то же самое с медной сковородой, то мясо может начать тушиться, а не жариться. Нержавеющая сталь по свойствам находится между медью и чугуном, то есть довольно быстро нагревается и неплохо держит тепло, кроме того нержавеющая сталь очень практична в использовании — её легко мыть и она не боится механических повреждений.
Тепловые характеристики продуктов питания
Тепловые характеристики продуктов, как правило, гораздо хуже чем у посуды, так как структура клеток препятствует передаче тепла. Коэффициент теплопроводности пищевых продуктов, как правило, в 5-10 тысяч раз меньше чем у меди или алюминия! Следовательно, теплопроводность в большей степени, чем любой другой способ передачи тепла, является ограничивающим фактором, определяющим время приготовления твёрдых продуктов (ведь теплопроводность передает тепло внутрь продукта). Кроме того, на теплопроводность продукта влияет его геометрия, ведь скорость нагревания зависит не только от размера но и от формы.
При приготовлении пищи необходимо, чтобы тепло проникло в сердцевину блюда или по крайней мере на некоторое расстояние вглубь. Но, как правило мы можем нагревать блюдо только на поверхности. Тепло медленнее поступает внутрь, поэтому снаружи продукт нагревается быстрее, чем внутри. Большинство профессиональных и домашних поваров интуитивно понимают, сколько времени должен готовиться, например, тот или иной кусок мяса. Но когда повар пытается использовать эту интуицию для оценки времени приготовления куска побольше или поменьше, то возникают проблемы, ведь теплопроводность иногда может противоречить здравому смыслу. Например, стейк толщиной 3 см будет готовиться дольше, чем толщиной 1.5 см, но насколько дольше? На самом деле время приготовления займёт примерно в четыре раза больше времени.
Общее правило для оценки времени приготовления заключается в том, что требуемое время увеличивается на квадрат увеличения толщины. В два раза толще — значит готовить следует в четыре раза дольше, в три раза толще — в девять раз дольше готовить и так далее. Однако, это правило работает только для продуктов с формой как у стейка (стейк, куриное филе), длина и ширина которых превышает толщину примерно в пять раз или для продукта цилиндрической формы, длина которого примерно в пять раз превышает диаметр (сосиски). Например, если вы разрежете куриное филе пополам, то время приготовления укоротится в 4 раза! Однако, за пределами этих границ ситуация усложняется и время придётся рассчитывать с помощью опытов и экспериментов, поэтому нет общих правил для любых ситуаций приготовления.
Когда горячие частицы перемещаются
Вторым наиболее часто используемые способом теплопередачи при приготовлении пищи является конвекция, ей мы пользуемся при приготовлении супов или запекании в печи. В жидкостях и газах молекулы не зафиксированы на одном месте кристаллической решёткой, как в твёрдых телах, поэтому молекулы свободно перемещаются. Таким образом горячим молекулам в жидкости или газе не обязательно сталкиваться с соседними более холодными молекулами для передачи тепловой энергии вглубь продукта. Они просто могут менять своё местоположение, перенося свою энергию с собой. Этот процесс называется конвекцией — движением горячих частиц.
Например, когда вы подносите руку к разогретой конфорке вы почувствуете тепло — конфорка нагревает находящиеся по близости молекулы воздуха, которые поднимаются вверх и передают часть своего тепла вашей руке, это собственно и есть конвекция.
Воздух вблизи конфорки поднимается вверх, потому что он горячее окружающего воздуха. Все вещества при нагреве расширяются и становятся немного менее плотными, особенно это заметно в газах и жидкостях, кроме того, при нагреве, жидкости становятся более текучими.
Кстати, факт того, что газы расширяются при нагревании, математически зафиксирован в уравнении, известном как закон идеального газа. Уравнение говорит нам, что объем воздуха в духовке, нагретой до 177 °C увеличится почти в полтора раза. То есть, в обычной бытовой духовке объем которой 140 литров через вентиляционное отверстие выйдет почти 70 литров воздуха!
Естественная и принудительная конвекция
В мире существует лишь два вида конвекции: естественная и принудительная. Естественную конвекцию вызывают естественные явления, например, более тёплый воздух поднимается вверх или на улице дует ветер. Внутри духовки также присутствует небольшая естественная конвекция — горячий воздух поднимается, а холодный опускается, тем самым создавая циркуляцию воздуха. Принудительная конвекция создаётся искусственным путем, например, перемешивая жидкость в кастрюле ложкой или воздух в духовке вентилятором.
Конвекция используется и для приготовлении в жидкостях. Конвекция в жидкости переносит тепло гораздо эффективнее, чем конвекция в воздухе, ведь плотность воды в тысячу раз выше воздуха (молекулы воды расположены очень плотно), соответственно, происходит намного больше столкновений между горячими молекулами и телом, погруженным в воду, именно поэтому вы можете долго держать руку в разогретой духовке, но не сможете даже секунду удержать её в кипящей воде.
Как бы не была эффективна естественная конвекция в жидкости, в кулинарии зачастую применяется и важна принудительная конвекция - перемешивание. Перемешивание помогает разрушить тонкую оболочку жидкости, называемую пограничным слоем. Пограничный слой образуется, когда трение замедляет движение жидкости по шероховатой поверхности продукта и начинает покрывать его в какой-то степени защищая от нагрева.
Пограничный слой может быть одним из самых важных факторов, которые определяют время приготовления продукта. Попробуйте перемешать продукты, которые варятся на низком огне и вы сможете потревожить пограничный слой, чем значительно ускорите приготовление.
Причем здесь турбулентность?
На кухне, конвекция почти всегда приводит к турбулентности, такой как кипящее бурление, клубы пара. Понятие турбулентности довольно сложное, поэтому давайте остановимся на нём подробнее. В мире существует два вида течений: ламинарные и турбулентные.
Ламинарные течения представляют собой прямые и равномерные потоки, их движение можно легко представить и рассчитать. Например, их можно представить как группу людей идущих ровной колонной, в которой никто никуда не сворачивает, либо как ветер, дующий только вперед.
Турбулентные течения в свою очередь являются хаотичными, они двигаются непредсказуемо и очень сложно поддаются расчетам или моделированию. Примером такого течения является пар, дым, кипение воды. На том же примере людей: представьте торговый центр в котором все люди идут в разные магазины и, соответственно, все идут в разные стороны — кто-то налево, кто-то направо и невозможно угадать, кто-куда пойдет дальше. В нашей Вселенной турбулентность встречается очень часто, причем всех масштабов: от дыма потухшей свечи до перемещения газов по галактикам.
Буль, буль, буль.
Рассказывая про турбулентность я упомянул про кипящую воду, но знаете ли вы почему она кипит? На самом деле ничего сложного в этом процессе нет. В воде всегда присутствуют большое количество пузырьков воздуха, но настолько маленьких, что глаз их просто не видит.
При увеличении температуры за счет расширения воздуха и пара, содержащегося в пузырьках они начинают увеличиваться и чем выше температура, тем больше становятся пузырьки. Из-за увеличения объема, на пузырьки начинает действовать большая сила Архимеда, поэтому они начинают всплывать.
При температуре кипения пузырьки уже достаточно большие, чтобы достигнуть поверхности воды и лопнуть, выпустив пар внутри себя. Но испарение происходит не только из-за пара. При высокой температуре молекулы воды имеют высокую кинетическую энергию и с помощью неё могут преодолеть притяжение соседних молекул, тем самым вылетая из жидкости и испаряясь.
Важно, как вы нагреваете
Для того, чтобы оценить насколько быстро тепло передаётся из жидкости или газа к продукту, коэффициент температуропроводности уже не очень подойдет, ведь он рассчитан больше на твердые тела, поэтому физики придумали величину, которая учитывает свойства, присущие газам и жидкостям: плотность, вязкость и скорость потока используемых жидкостей или газов — это коэффициент теплопередачи.
Коэффициент теплопередачи — это величина, которая показывает насколько быстро тепло передаётся от одной среды или системы к другой. Например, коэффициент теплопередачи воздуха с естественной конвекцией равен 20 (Вт/м² • K), а коэффициент теплопередачи воды равен 100-200 (Вт/м² • K), то есть вода передаёт тепло примерно в десять раз быстрее, чем воздух, что ещё раз подтверждает, что в кипящей воде в отличие от духовки невозможно держать руку.
Тепловые волны
Наверное самый загадочный и непонятный режим теплопередачи — это излучение, но на самом деле ничего загадочного в нем нет. Излучение — режим теплопередачи, при котором излучаемые чем-то горячим «тепловые волны» передают тепло напрямую в продукт, не нагревая воздух.
Все объекты, температура которых выше 0 K, то есть выше абсолютного нуля, всегда излучают электромагнитные волны, что-то типа света, но в другом диапазоне частот, то есть эти волны попадают в ту часть спектра, которая находятся за пределами узкой полосы, к которой чувствительны наши глаза. Длины таких волн обычно находятся в инфракрасном диапазоне. Например нагрев от угольных грилей или микроволновых печей происходит как раз за счет такого излучения, оно также называется лучистым теплом.
Лучистое тепло не нагревает воздух, а передает энергию напрямую находящимся поблизости телам. Атомы в теле поглощают часть волн и преобразуют их энергию в более быстрое движение и энергичную вибрацию, что на макроскопическом уровне и есть тепло! Таким образом, количество энергии поглощаемой пищей зависит от того, сколько излучения, попадающего на пищу рассеивается или отражается — это называется отражательной способностью.
Пища с тёмной и матовой поверхностью будет поглощать тепловых лучей больше, чем светлая и блестящая поверхность. Это связано с тем, что чёрные объекты поглощают около 90% тепловых лучей, в то время как белые отражают около 90% тепловых лучей. Именно из-за этих различий в поглощении света чёрный цвет выглядит чёрным, а белый белым.
Отражательная способность может усложнить приготовление, если она меняется в процессе. Например, когда тост поджаривается в тостере он начинает темнеть, его отражательная способность снижается и он начинает поглощать больше тепловых лучей, из-за чего хлеб может в мгновение ока превратиться из румяного в коричневый, а после чего и в чёрный. Кроме того, объекты, которые поглощают больше излучения, излучают его тоже больше. То есть раз черные объекты поглощают 90% света, то и излучают они тоже намного больше, чем белые объекты.
Физики называют вещество, которое поглощает каждый попадающий на него луч света абсолютно чёрным телом. Таким образом любой свет исходящий от него называется излучение абсолютно чёрного тела и излучается самим объектом, а не отражается или рассеивается от другого источника. Абсолютно черное тело — это теоретический объект, то есть в реальном мире таких тел не существует, но есть очень приближённые к нему объекты, например, сажа и другие формы углерода. Математика излучения абсолютно чёрного тела показывает, что мы можем определить насколько горячим оно является по спектру, испускаемого им света. При комнатной температуре чёрные тела излучают в основном невидимые инфракрасные волны, но когда температура начинает превышать несколько сотен градусов по Цельсию, тело начинает испускать волны и в других диапазонах, то есть видимый свет, начиная с красного спектра.
Почему горячие предметы красные?
Возможно вы замечали, что при очень высоких температурах нагревательный элемент может становиться красным. Источник изменения цвета — это тепловое излучение. Все объекты излучают, но не все из них достаточно горячие, чтобы выделять много энергии и светиться в видимом нами диапазоне. При низких температурах объект излучает длинноволновый свет, который несёт мало энергии и его эффект настолько мал, что мы можем фактически его игнорировать. Кстати, инфракрасные термометры анализируя длину волны определяют температуру объекта.
Когда объект нагревается, длина его волны становится короче. Красный свет имеет самую длинную волну из видимого нами света, поэтому темно красный — первый видимый свет при существенном повышении температуры объекта. По мере дальнейшего нагревания свечение становится оранжевым, затем жёлтым, белым и, наконец, синим — отсюда и термины раскалить докрасна или добела. В теории, объект можно нагреть настолько сильно, что он начнёт излучать свет настолько короткой длины, что человек просто не сможет его увидеть (ультрафиолетовое свечение).
Йозеф Штефан — австрийский физик 19-го века, обнаружил, что энергия, испускаемая телом в виде теплового излучения пропорциональна его температуре, таким образом, чем горячее объект, тем больше энергии он излучает в виде света. В итоге с помощью своего открытия он смог рассчитать температуру на Солнце, которая составляет примерно 5527 °C, что делает его раскаленным добела!
Свойство излучать тепло проявляется и в обычных кухонных печах. При температуре 200 °C и ниже, большая часть тепла передаётся продукту с помощью конвекции. При повышении температуры до 400 °C лучистое тепло становится существенной частью происходящего теплообмена. Но при температуре 800 °C, вклад конвекции становится ничтожно мал: излучение, увеличившееся примерно в 26 раз начинает доминировать над всеми другими способами теплопередачи. Поэтому дровяные печи в которых выпекают пиццу или хлеб, сильно отличаются от своих домашних собратьев. В них приготовление осуществляется в основном за счёт излучения, а не конвекции.
Излучение отличается от других видов теплопередачи ещё одним фактором: оно уменьшается с расстоянием. Как форма излучения, тепловое так же подчиняется закону обратного квадрата излучения, означающему, что интенсивность излучения уменьшается пропорционально квадрату расстояния от точечного источника. Если говорить проще — с расстояния в два метра от зажженной лампочки видно лишь четверть света, чем с расстояния в 1 метр. Расстояние увеличилось вдвое, поэтому яркость уменьшилась в четыре раза (2²). Отойдите на расстояние трёх метров и теперь яркость уменьшится до девятой части своей интенсивности на расстоянии одного метра (3²).
Пламя
Задумывались ли вы, что такое огонь? Вопреки распространенному мнению, огонь — это не плазма, огонь — это химическая реакция! Ведь огонь сопровождает химический процесс горения. В некотором смысле, огонь подобен листьям, меняющим цвет осенью, запаху созревающих фруктов или миганию светлячка, все это — сенсорные сигналы о том, что происходит химическая реакция.
В химии существует такой вид взаимодействия между веществами, как окисление. При этом горючее вещество (материал, который может гореть) вступает в реакцию с веществом, которое называют окислителем. Одним из таких веществ-окислителей является кислород, который содержится в воздухе. Горение — это по сути реакция окисления вещества, которая протекает интенсивно, бурно и с выделением большого количества тепла и света. Огонь же является фазой процесса горения. Огонь — это та область пространства, в которой вещества, взаимодействующие в процессе горения, и продукты горения представляют собой поток раскаленных газов.
Четвертый режим теплопередачи?
Теплопроводность, конвекция и излучение — это классические режимы теплопередачи, описываемые в каждом учебнике, но есть еще один практически незамеченный способ нагрева, который также играет большую роль — фазовые переходы (переходы вещества из одного состояния в другое).
Всякий раз когда происходит фазовый переход, такой как испарение или конденсация, плавление или заморозка, вещество поглощает или выделяет значительное количество энергии, которая может быть использована для разогрева или охлаждения пищи. Приготовление на пару — это самый известный пример теплопередачи за счет фазового перехода. Вода, превращаясь в пар поглощает огромное количество тепловой энергии, можно сказать, что пар забирает эту энергию с собой, физики называют это скрытая теплота. Овощи в пароварке готовятся не только из-за того, что вокруг них обжигающе горячий пар: приготовление происходит в основном за счет скрытого тепла, выделяемого при конденсации пара в жидкость на поверхность продукта. Обдувание пищи — классический пример того, как фазовые переходы охлаждают пищу, ускоряя испарение воды.
Раз мы теперь знаем как работает тепло и какие процессы за этим стоят, предлагаю вам разобраться в некоторых бытовых ситуациях, связанных с теплом.
Почему мы дуем на горячую пищу?
Почему обдувание горячей пищи делает ее холоднее? В конце-концов, наше дыхание ведь теплее чем воздух в комнате, разве это дуновение не должно замедлять охлаждение? На самом деле причина в том, что движение воздуха имеет большее значение, чем его температура. Движение воздуха ускоряет испарение, а испарение — это уже нечто большее, чем просто передача тепла от жидкости воздуху, и оно является основной причиной, которая «высасывает» тепло из горячей жидкости.
У вас мог появиться вопрос: почему движение воздуха ускоряет испарение? Ответ заключается в тонком слое пара (на самом деле тумана), который покрывает верхнюю часть жидкости. Он окутывает жидкость и затрудняет выход молекул воды (испарение). Из-за этого слоя тумана, часть пара конденсируется обратно и передает ушедшее тепло, которое пар первоначально унес.
Ваше дыхание сдувает этот насыщенный влагой слой и позволяет более сухому воздуху занять его место. При меньшем увлажнении молекулам воды на поверхности легче высвобождаться и жидкость при этом охлаждается быстрее.
Большинство продуктов содержат много воды, поэтому для них обдувание работает точно также, но чем меньше влаги в продукте, тем слабее будет эффект. Кроме того, при обдувании жидкости, конвекционные потоки перемешивают её и поднимают на поверхность самые горячие её части.
Когда добавлять сливки в кофе?
Предположим, вы ждете друга, который присоединится к вам за завтраком и официант налил вам две чашки кофе. Вы знаете, что ваш друг предпочитает кофе со сливками, поэтому вы хотите добавить их в чашку, но тут вы задумываетесь, а не остынет ли кофе из-за этого быстрее и не станет ли оно холодным к моменту прихода друга? Головоломка о сливках в кофе — классическая физическая, если не кулинарная задачка. Здесь всё зависит от того, будет ли добавление сливок способствовать более быстрому охлаждению.
Здесь важны несколько факторов. Во-первых, скорость потери тепла из-за излучения, излучаемого кофе зависит от температуры. Как гласит закон Стефана-Больцмана, более горячий кофе должен отдавать энергию быстрее, чем кофе, слегка охлажденный сливками. Во-вторых, черный кофе, будучи темнее, должен выделять больше тепла, чем светлый кофе со сливками, ведь сколько тело поглощает, столько и отдает. Третий фактор может быть решающим: горячий кофе испаряет жидкость быстрее, чем слегка охлажденный. При испарении тепло уходит вместе с паром.
Теория указывает на то, что добавление сливок в кофе — это всё таки лучшее решение, а эксперименты подтверждают, что кофе со сливками охлаждается примерно на 20% медленнее черного. Интересно, что исследователи не смогли определить какой из этих трех факторов является наиболее важным. В общем — добавляйте сливки в кофе и надейтесь, что когда друг придет он не спросит вас почему кофе еще не остыл ;)
Почему же лед охлаждает?
Наливая колу в стакан со льдом, для того, чтобы охладить её, вы задумались: "Почему лед охлаждает?". После прочтения этой статьи я думаю вы и сами сможете ответить на этот вопрос, причем во всех подробностях!
Лед очень холодный, а это означает, что молекулы льда двигаются очень медленно. Когда кола контактирует со льдом, медленные молекулы льда сталкиваются с более быстрыми молекулами колы и забирают у них энергию, замедленные молекулы колы сталкиваются с себе подобными и постепенно напиток становится все более и более холодным. Причем, при фазовом переходе, лед, поглощает большое количество тепла делая колу еще холоднее. В конце концов кола, лед и стакан станут одинаковой температуры.