Теплопроводность в еде

Теплопроводность в еде

Теплопроводность является одной из самых медленных форм переноса тепла.

Этот процесс протекает особенно медленно в продукте, структура клеток которого препятствует движению тепла. Коэффициент тепловой диффузии (температуропроводности) у продуктов обычно в 5 000 -10 000 раз ниже, чем у меди или алюминия! Следовательно, теплопроводность, более чем любой другой вид переноса тепла, является стадией, лимитирующей скорость реакции, и определяет время приготовления твердой пищи.

По этой причине, неплохо было бы понять, как геометрические характеристики еды влияют на проведение тепла. Да, мы говорим «геометрия»: скорость теплового потока в твердой пище зависит не только от размера продукта питания, но также и от его формы.

Как правило, при приготовлении еды, вы хотите, чтобы тепло шло в центр продукта или, по крайней мере, на некоторую глубину внутрь. Обычно вы можете направлять тепло только прямо на поверхность продукта. Внутрь тепло идет медленно, таким образом, внешняя часть нагревается быстрее, чем внутренняя.

У большинства профессиональных поваров и людей, готовящих дома, развивается интуиция к определению времени, которое взятый кусок мяса должен провести на горячей сковороде. Тем не менее, проблемы возникают, когда повар пытается пользоваться интуицией, чтобы оценить время приготовления большего или меньшего по размеру куска, поскольку теплопроводность определяет норму неожиданным образом. Например, кусок мяса размером 5 см / 2 см толщиной...

тается пользоваться интуицией, чтобы оценить время приготовления большего или меньшего по размеру куска, поскольку теплопроводность определяет норму неожиданным образом. Например, кусок мяса размером 5 см / 2 см толщиной будет готовиться дольше, чем кусок размером всего 2,5 см / 1 см толщиной. Но насколько дольше? Вдвое дольше?

Интересная догадка, но неверная. На самом деле, более толстый кусок будет готовиться ориентировочно в четыре раза дольше. Это масштабное соотношение выведено с помощью математического анализа приближения уравнения тепловодности Фурье.

Таким образом, общее правило для расчета времени приготовления плоских кусков: требуемое время увеличивается на квадрат увеличения толщины. В два раза толще – в четыре раза больше времени; в три раза толще – в девять раз больше.

Тем не менее, это правило подобия не работает, когда толщина продукта соперничает с другими размерами, например, когда продукты питания имеют кубическую или цилиндрическую форму. (Возьмем, к примеру, кусок мяса или сосиску). Тогда тепло, проникающее через боковые поверхности, значительно способствует теплопроводности.

Мы провели значительные машинные моделирования, показавшие, что когда длина и ширина в пять раз больше толщины (для блока продукта) или, когда длина в пять раз больше диаметра (для цилиндра), тогда простое правило подобия работает прекрасно.

Уравнение теплопроводности по-прежнему работает, но результат должен быть рассчитан отдельно для каждой формы.

Никакие общие правила не могут быть применимы сразу ко всему многообразию «трехмерных» продуктов питания. Умение готовить – это дело квалификации, обогащённой опытом и экспериментами. Будьте уверены, вы станете не первым шеф-поваром (или физиком), высушившим толстую отбивную в ожидании пока тепло дойдет до центра.

Ясно, что очень важно принимать во внимание, как форму, так и размер покупаемого вами мяса. Помните, что приготовление еды, как и многие другие стоящие устремления, может занять больше времени, чем вы думаете.

Когда горячие частицы двигаются

Конвекция – это второй наиболее распространенный вид переноса тепла в процессе приготовления. В жидкостях и газах, таких как воздух, молекулы не остаются неподвижными на месте, как в твердых телах – они двигаются. Таким образом, для передачи энергии в виде тепла, горячим молекулам жидкости нет необходимости сталкиваться с соседними более холодными молекулами. Они могут просто изменить положение, забрав с собой свою энергию. Этот процесс носит название конвекции, т.е. движения горячих частиц.

Клубень картофеля, проткнутый железными стержнями, готовится быстрее, поскольку металл способствует переносу тепла к внутренней части продукта питания. Этот принцип вдохновил на создание гриля "fakir grill". Модернистский прибор был назван в честь мистиков Ближнего Востока, лежавших на кроватях из гвоздей. Аналогия, конечно, не совершенна, так как шипы гриля, предназначены для накалывания на них продуктов питания, тогда как лежавшие мистики оставались невредимыми.

Теплый воздух значительно расширяется при нагревании. Этот факт установлен математически в уравнении состояния идеального газа. Закон гласит, что объем воздуха в духовке увеличится примерно в половину, если его нагреть с комнатной температуры до 177 °C / 350 °F. В обычных бытовых духовках, удерживающих 140 литров / 5 кубических футов воздуха, примерно 70 литров / 2,5 кубических футов выходит за пределы духовки.

Если подержать руку над газовой конфоркой, вы почувствуете тепло, не касаясь пламени. Пламя нагреет соседние молекулы воздуха, которые потом поднимутся от пламени, перенося некоторое количество своего тепла к руке. Воздух около пламени поднимается, поскольку он горячее окружающего воздуха. Почти все твердые тела расширяются при нагревании и, вследствие этого, становятся немного менее плотными. Этот эффект более выражен у жидкостей и очень ярко выражен у воздуха и других газов. При нагревании и расширении жидкости становятся более плавучими; при охлаждении их плотность увеличивается, и они имеют склонность оседать. На кухне конвекция почти всегда приводит к турбулентности: волнение воды при кипении, вихри пара и тумана, потоки масла во фритюрнице. Поток настолько бурный, по большей части, потому что кухонные плиты обычно распространяют тепло неравномерно, например, по дну кастрюли или фритюрницы. Нагретая жидкость охлаждается по ходу движения от источника тепла, таким образом, ее плотность увеличивается, ее плавучесть понижается и жидкость опускается, только для того, чтобы быть нагретой снова и подняться. При естественной конвекции, когда само тепло является движущей силой, жидкость стремиться к циркуляции в группе витков, называемых конвективными ячейками. В целом, естественная конвекция вызывает ветра, движет океанские течения и даже медленно движет земные плиты, которые поднимаясь от жидкого центра планеты, смещаются к поверхности, затем охлаждаются и опускаются снова к ядру. Несмотря на то, что нагретые стены духовки распространяют тепло с каждой стороны, нагревание происходит не совсем равномерно, таким образом, естественная конвекция происходит также внутри духовки. Большие блюда для запекания или куски продуктов нарушают поток воздуха, что уменьшает эффективность, создает участки локального перегрева и делает процесс приготовления менее предсказуемым. Вынужденная конвекция духовок (часто называемая просто конвекционные духовки) стремится преодолеть препятствие естественной конвекции с помощью вентиляторов, обеспечивающих движение воздуха внутри духовки. Несмотря на то, что циркулирующий воздух может ускорить высыхание и тем самым ускорить процесс приготовления некоторых продуктов, результат сильно зависит от размера, формы и содержания воды в продукте. Конвекция действует, когда мы готовим в воде, вине, бульоне и других жидкостях. Конвекция в жидкостях переносит тепло намного эффективнее, чем конвекция в воздухе, поскольку плотность воды или других варочных жидкостей в тысячу раз выше плотности воздуха. Более высокая плотность приводит к большему числу столкновений горячих молекул с продуктом питания. Поэтому вы можете протянуть руку к плите и не обжечься, но если вы опустите руку в кастрюлю с кипящей водой, вы обожжетесь. Ситуация не изменится даже в том случае, если плита будет в два раза горячее воды. Несмотря на то, что естественная конвекция очень эффективна, принудительная конвекция, известная как перемешивание, дает результаты. Помешивание помогает нарушить целостность тонкой оболочки жидкости, называемой пограничным слоем, которая окружает продукт и в некоторой степени изолирует его от тепла. Пограничный слой образуется, когда трение замедляет движение жидкости по грубой поверхности продукта питания. Пограничный слой может быть наиболее важным фактором, определяющим скорость запекания или варки продукта при заданной температуре. Присоединив циркуляционный насос к вашей водяной бане, или перемешивая еду, кипящую в кастрюле на медленном огне, вы можете нарушить пограничный слой и намного ускорить процесс приготовления. Чтобы рассчитать, насколько быстро конвекция переносит тепло от источника к продукту питания, нам необходима величина, которая учитывает плотность, вязкость и скорость потока задействованных жидкостей, подобно тому, как тепловая диффузия сочетает в себе аналогичную информацию о переносе тепла в твердых веществах. Коэффициент теплопередачи является именно такой величиной, он показывает насколько быстро тепло переходит от одной среды или системы к другой. Конвекционные печи готовят некоторые продукты быстрее, поскольку у них коэффициент теплопередачи выше, чем у традиционных печей. В общем, принудительная конвекция увеличивает коэффициент теплопередачи в десять раз или более.

Еще статьи