Jeg skrev tidligere om beregning av koketid for reduksjoner, og tilsvarende kan man også regne på tidsforbruk for å varme opp væsker til temperaturer som er lavere enn kokepunktet. Dette kan beregnes ved å bruke spesifikk varmekapasitet, og kan være hendig å kjenne til dersom man skal skalere oppskrifter til å lage mat i større mengder.
Når vi bruker et kokeapparat tilfører vi varme med en viss effekt, enten som overføring av varme direkte i kjelen fra en induksjonsovn, oppvarming av kjele og innhold av varm gass fra en gasskomfyr, varme fra en koketopp, varmeelement som er senket ned i væsken (f.eks. frityrgryte eller noen vannkokere), annen konveksjonsvarme eller direkte oppvarming av væsken (vann i mikrobølgeovn). Væsken og kokekaret vil netto tilføres varme lik den effekten som overføres til kokekar og væske fra oppvarmingsmetoden, minus varmetap fra væske/kjele, evt. annet energitap i utstyret som benyttes, og energi som går til å drive eventuelle kjemiske prosesser i væsken.
Varmetap i en oppvarming vil ved en gitt temperatur være lik den effekten som må tilføres for å holde temperaturen i væsken konstant, og netto effekt som går til videre oppvarming av væsken vil være lik effekt fra kokeapparatet minus dette varmetapet. Merk at varmetap kan være negativt, f.eks. vil en bolle med kaldt vann fra springen få tilført varme fra omgivelsene i et rom med vanlig romtemperatur.
For å ta matematikken i det hele litt kort så vil reell effekt til oppvarming være lik tilført effekt P minus varmetap T. I løpet av et minutt vil denne effekten målt i kW ha tilført 60*(P - T) kJ varme til væsken. Spesifikk varmekapasitet betegner hvor mye energi som går med til å øke temperaturen i et kilogram av en væske med 1 grad Celsius. Jeg har gjort en enkel beregning på varmekapasitet for noen vanlige væsker, basert på en tabell med spesifikke varmekapasiteter.
Tid for å øke temperaturen 10 grader Celsius i 1 kg væske ved 1 kW varmeeffekt:
Vi finner tiden det tar å øke temperaturen med et visst antall grader ved å ta dette tallet og multiplisere med temperaturendringen i Celsius delt på 10, gange resultatet med antall kg væske som skal varmes opp, og dividere med tilført varmeeffekt målt i kW. Merk at varmetapet øker ettersom temperaturen i væsken stiger, noe som gjør at tilført effekt avtar underveis, så det er ikke helt riktig å regne med at tilført effekt er konstant - men man kan likevel få gode omtrentlige svar. Vi gjør forøvrig en systematisk feil at vi ikke tar hensyn til oppvarming av kokekaret, mer om det senere.
Eksempel: vi skal varme 3.5 kg vegetabilsk olje i en frityrgryte fra romtemperatur 20 grader Celsius til 180 grader Celsius. Tilført varme har effekten 2.0 kW. Tiden dette vil ta er da ca. 0.28 * ((180 - 20)/10) * 3.5 / 2.0 = 0.28 * 16 * 3.5 / 2.0 = 7.8 minutter
Eksempel: vi varmer 1.5 liter (kg) vann i en vannkoker fra 6 grader Celsius til kokepunktet 100 grader Celsius med 2.3 kW varme. Tiden dette vil ta er ca. 0.70 * ((100-6)/10) * 1.5 / 2.3 = 4.3 minutter
Vi ser at vann har høy varmekapasitet og krever mye energi å varme opp sammenlignet med andre væsker, og dermed også tar lenger tid å varme opp. Samtidig gjør dette at vann holder på varmen bedre enn andre væsker, ettersom den inneholder mer varmeenergi per kilogram væske ved samme temperatur.
Forskjellen i varmekapasitet er også av betydning for fritering, der hovedregelen er at man skal fritere kun små mengder av gangen for at temperaturen i oljen ikke skal synke for mye. Når man har mat i en frityrgryte, vil denne maten umiddelbart begynne å stjele varme fra oljen til oppvarming og fordamping. Siden olje har vesentlig lavere varmekapasitet, vil temperaturen falle mye raskere i olje enn den ville gjort for i tilsvarende mengde vann.
Merk at metoden over ikke kan brukes dersom det er kjemiske prosesser i væsken som krever store mengder energi slik som smelting av is. Vann som holder 0 grader Celsius og inneholder isbiter vil faktisk ikke øke temperaturen noe før all isen er smeltet, noe som har med smeltevarme å gjøre.
Så kommer vi til en systematiske feil i oppsettet over, nemlig at vi ikke har tatt hensyn til at det er ikke bare væsken men også kokekaret som varmes, og dette krever også energi - og tiden til denne oppvarmingen vil komme i tillegg til tiden som er regnet ut med metoden over. F.eks. oppgir denne tabellen at varmekapasitet til rustfritt stål er 0.51 kJ/(kg*K). Dersom en 2 kg kjele i rustfritt stål varmes fra romtemperatur 20 grader Celsius til 100 grader Celsius, vil denne oppvarmingen på 80 grader Celsius kreve 0.51 * 2 * 80 = 81.6 kJ varme, og dersom tilført varmeeffekt er 2 kW så ville dette (dersom kjelen skulle varmes opp alene) ta tiden 81.6 / (2*60) = 0.7 minutter. Men såfremt man har brukt et kokekar som har passende størrelse i forhold til væsken det inneholder, vil dette tillegget i tid være relativt lite (hvertfall for vann) sammenlignet med tiden å varme opp kun selve væsken, så det å regne tid kun for væsken er et relativt bra estimat, og så kan man mentalt legge på litt tid ekstra på toppen.
Ved å bruke varmekapasitet og beregninger der man benytter en antatt, beregnet eller målt kokeeffekt, kan man gjøre ca. estimater av koketid for en oppvarming, slik at man ikke trenger å gjette på hvor lang tid det tar å klargjøre et 20 liter sous vide varmbad eller å koke 40 liter suppe til slektstreffet. Det kan også være at man finner ut at en kokeprosess tar så lang tid at ikke er hensiktsmessig, og at man rett og slett må finne en annen metode å tilberede maten eller lage noe annet istedenfor.
Foto: wikimedia (public domain)
Når vi bruker et kokeapparat tilfører vi varme med en viss effekt, enten som overføring av varme direkte i kjelen fra en induksjonsovn, oppvarming av kjele og innhold av varm gass fra en gasskomfyr, varme fra en koketopp, varmeelement som er senket ned i væsken (f.eks. frityrgryte eller noen vannkokere), annen konveksjonsvarme eller direkte oppvarming av væsken (vann i mikrobølgeovn). Væsken og kokekaret vil netto tilføres varme lik den effekten som overføres til kokekar og væske fra oppvarmingsmetoden, minus varmetap fra væske/kjele, evt. annet energitap i utstyret som benyttes, og energi som går til å drive eventuelle kjemiske prosesser i væsken.
Varmetap i en oppvarming vil ved en gitt temperatur være lik den effekten som må tilføres for å holde temperaturen i væsken konstant, og netto effekt som går til videre oppvarming av væsken vil være lik effekt fra kokeapparatet minus dette varmetapet. Merk at varmetap kan være negativt, f.eks. vil en bolle med kaldt vann fra springen få tilført varme fra omgivelsene i et rom med vanlig romtemperatur.
For å ta matematikken i det hele litt kort så vil reell effekt til oppvarming være lik tilført effekt P minus varmetap T. I løpet av et minutt vil denne effekten målt i kW ha tilført 60*(P - T) kJ varme til væsken. Spesifikk varmekapasitet betegner hvor mye energi som går med til å øke temperaturen i et kilogram av en væske med 1 grad Celsius. Jeg har gjort en enkel beregning på varmekapasitet for noen vanlige væsker, basert på en tabell med spesifikke varmekapasiteter.
Tid for å øke temperaturen 10 grader Celsius i 1 kg væske ved 1 kW varmeeffekt:
- Ferskvann: 0.70 minutter
- Vegetabilsk olje: 0.28 minutter
- Olivenolje, soyaolje: 0.33 minutter
Vi finner tiden det tar å øke temperaturen med et visst antall grader ved å ta dette tallet og multiplisere med temperaturendringen i Celsius delt på 10, gange resultatet med antall kg væske som skal varmes opp, og dividere med tilført varmeeffekt målt i kW. Merk at varmetapet øker ettersom temperaturen i væsken stiger, noe som gjør at tilført effekt avtar underveis, så det er ikke helt riktig å regne med at tilført effekt er konstant - men man kan likevel få gode omtrentlige svar. Vi gjør forøvrig en systematisk feil at vi ikke tar hensyn til oppvarming av kokekaret, mer om det senere.
Eksempel: vi skal varme 3.5 kg vegetabilsk olje i en frityrgryte fra romtemperatur 20 grader Celsius til 180 grader Celsius. Tilført varme har effekten 2.0 kW. Tiden dette vil ta er da ca. 0.28 * ((180 - 20)/10) * 3.5 / 2.0 = 0.28 * 16 * 3.5 / 2.0 = 7.8 minutter
Eksempel: vi varmer 1.5 liter (kg) vann i en vannkoker fra 6 grader Celsius til kokepunktet 100 grader Celsius med 2.3 kW varme. Tiden dette vil ta er ca. 0.70 * ((100-6)/10) * 1.5 / 2.3 = 4.3 minutter
Vi ser at vann har høy varmekapasitet og krever mye energi å varme opp sammenlignet med andre væsker, og dermed også tar lenger tid å varme opp. Samtidig gjør dette at vann holder på varmen bedre enn andre væsker, ettersom den inneholder mer varmeenergi per kilogram væske ved samme temperatur.
Forskjellen i varmekapasitet er også av betydning for fritering, der hovedregelen er at man skal fritere kun små mengder av gangen for at temperaturen i oljen ikke skal synke for mye. Når man har mat i en frityrgryte, vil denne maten umiddelbart begynne å stjele varme fra oljen til oppvarming og fordamping. Siden olje har vesentlig lavere varmekapasitet, vil temperaturen falle mye raskere i olje enn den ville gjort for i tilsvarende mengde vann.
Merk at metoden over ikke kan brukes dersom det er kjemiske prosesser i væsken som krever store mengder energi slik som smelting av is. Vann som holder 0 grader Celsius og inneholder isbiter vil faktisk ikke øke temperaturen noe før all isen er smeltet, noe som har med smeltevarme å gjøre.
Så kommer vi til en systematiske feil i oppsettet over, nemlig at vi ikke har tatt hensyn til at det er ikke bare væsken men også kokekaret som varmes, og dette krever også energi - og tiden til denne oppvarmingen vil komme i tillegg til tiden som er regnet ut med metoden over. F.eks. oppgir denne tabellen at varmekapasitet til rustfritt stål er 0.51 kJ/(kg*K). Dersom en 2 kg kjele i rustfritt stål varmes fra romtemperatur 20 grader Celsius til 100 grader Celsius, vil denne oppvarmingen på 80 grader Celsius kreve 0.51 * 2 * 80 = 81.6 kJ varme, og dersom tilført varmeeffekt er 2 kW så ville dette (dersom kjelen skulle varmes opp alene) ta tiden 81.6 / (2*60) = 0.7 minutter. Men såfremt man har brukt et kokekar som har passende størrelse i forhold til væsken det inneholder, vil dette tillegget i tid være relativt lite (hvertfall for vann) sammenlignet med tiden å varme opp kun selve væsken, så det å regne tid kun for væsken er et relativt bra estimat, og så kan man mentalt legge på litt tid ekstra på toppen.
Ved å bruke varmekapasitet og beregninger der man benytter en antatt, beregnet eller målt kokeeffekt, kan man gjøre ca. estimater av koketid for en oppvarming, slik at man ikke trenger å gjette på hvor lang tid det tar å klargjøre et 20 liter sous vide varmbad eller å koke 40 liter suppe til slektstreffet. Det kan også være at man finner ut at en kokeprosess tar så lang tid at ikke er hensiktsmessig, og at man rett og slett må finne en annen metode å tilberede maten eller lage noe annet istedenfor.
Ingen kommentarer:
Legg inn en kommentar