Как конвекция используется в быту

Конвекция в природе и технике – примеры, сообщение для доклада по физике (7-8 класс)

Из курса физики 8 класса известно, что тепло может передаваться тремя способами: излучением, теплопередачей и конвекцией. В земной атмосфере наиболее важным способом является конвекция. Она фактически является основой погодных явлений. Поговорим о роли конвекции в природе и технике в объёме, достаточном для доклада или сообщения на школьном уроке.

Способы передачи тепла

Как известно, все вещества состоят из мельчайших частиц — молекул. Молекулы находятся в постоянном хаотическом движении. Сильнее всего это движение в газах.

Движущиеся молекулы обладают кинетической энергией, и тепло — это сумма кинетических энергий всех молекул. Чем выше температура тела, тем интенсивнее движутся в нём молекулы.

Передать тепло от одного тела к другому значит заставить «медленные» молекулы в одном теле двигаться быстрее за счёт энергии «быстрых» молекул другого тела. Сделать это можно различными способами.

Рис. 1. Способы передачи тепла.

Механизм конвекции

Для земной атмосферы наиболее важен способ конвекции. При таком способе теплопередачи «нагретые» молекулы просто переносятся в другую точку атмосферы, в результате чего температура этой точки увеличивается. Фактически конвекция — это перемешивание.

Конвекция основана на двух физических законах:

Плотность нагретых областей газа меньше, и появляющаяся сила Архимеда вытесняет их вверх. Начинается конвективное движение.

Рис. 2. Механизм конвекции

Конвекция в природе и технике

Таким образом, конвекция — это метод теплопередачи, при котором области жидкости или газа перемешиваются, причём энергия для перемешивания обеспечивается запасами энергии теплового движения самих молекул.

Роль конвекции в природе трудно переоценить. Именно благодаря конвекции происходит движение воздушных масс. Примером конвекции в природе является воздух, поднимающийся над нагретой поверхностью земли. Без конвекции не было бы ни ветра, ни самой погоды. Воздух обладает весьма малой теплопроводностью, поэтому без конвекции приземные слои атмосферы имели бы температуру в несколько сотен градусов, но уже через несколько десятков метров эта температура снижалась бы до отрицательных значений.

Не было бы облаков, поскольку водяные пары бы также оставались в приземном слое, образуя там насыщенный водяной пар, который бы оставался около поверхности морей и океанов.

В быту и технике конвекция используется практически везде, где происходит нагревание воздуха или воды. Например, отопительные радиаторы всегда располагают как можно ниже как раз потому, что нагретые слои воздуха будут подниматься вверх, обеспечивая перемешивание. Встроенные отопительные системы также имеют тип «тёплый пол», а не «тёплый потолок» — это определяется именно направлением конвективных потоков. В самих водяных системах отопления, если не используется насос, перемешивание нагретого теплоносителя обеспечивается исключительно конвективным движением.

Рис. 3. Гравитационная система отопления.

Что мы узнали?

Конвекция — это перенос тепла путём перемешивания, которое происходит за счёт расширения газа или жидкости при нагревании и вытеснения нагретых областей вверх. Всё движение воздушных масс, все погодные явления зависят от конвекции. Конвекция в природе и технике присутствует практически везде, где есть нагрев воздуха или воды.

Источник

Физика на кухне

Аннотация

Мир физических явлений чрезвычайно разнообразен. Физика обладает необыкновенным свойством. Изучая самые простые явления можно вывести общие законы. Многие физические закономерности можно получить из собственных наблюдений. Замечательным местом для наблюдения физических явлений и проведения экспериментов является самая обычная кухня.

Кухня – это место, которое мы посещаем постоянно. Мы даже не задумываемся, что там могут происходить какие-то физические явления. В повседневной жизни мы не найдём другого такого места, где происходило бы столько удивительного и загадочного, как в кухне. Именно здесь мы смешиваем, нагреваем, охлаждаем, замораживаем, размораживаем, а бывает, что и сжигаем всевозможные виды животного, растительного и неорганического сырья. В этом месте происходит множество явлений: световые, тепловые, электрические, электромагнитные и др.

Цель работы: рассмотреть тепловые явления на кухне.

Актуальность работы: работа на кухне не осуществима без тепловых явлений особенно во время технического мира. Время не стоит на месте, люди придумывают все больше техники, а без знаний физики будет невозможен прогресс.

Задачи:

Для начала, что же такое тепловые явления? Тепловые явления – это явления, связанные с нагреванием или охлаждением тел, с изменением температуры. К таким явлениям относятся, например, нагревание и охлаждение воды в емкости, таяние льда, плавление металлов и др. [1] Итак, какие же тепловые явления мы встречаем на кухне? Испарение, кипение, конвекция, теплопроводность, изменение агрегатного состояния веществ – все это тепловые явления. Таким образом, рассмотрим 3 явления. Это конвекция, теплопроводность и кипение.

Конвекция

Конвекция – это вид теплопередачи, при котором внутренняя энергия передается струями и потоками. [3]

Впервые термин «конвекция» был предложен английским ученым Вильямом Прутом еще в 1834 году. (Рисунок 1) Использовался он для описания перемещения тепловых масс в нагретых, движущихся жидкостях.

Рисунок 1 – «Портрет Вильяма Прута. Художник Генри Виндхам Филипс»

Первые теоретические исследования явления конвекции стартовали лишь в 1916 году. В ходе экспериментов было установлено, что переход от диффузии к конвекции в подогреваемых снизу жидкостях возникает при достижении некоторых критических температурных значений. Позже это значение получило определение «число Роэля». Оно было так названо в честь исследователя, занимавшегося его изучением. Результаты опытов позволили дать объяснение перемещению тепловых потоков под влиянием сил Архимеда. [1]. В основе явления конвекции лежит расширение более холодного вещества при соприкосновении с горячими массами. В таких обстоятельствах нагреваемое вещество теряет плотность и становится легче по сравнению с окружающим его холодным пространством. Наиболее точно данная характеристика явления соответствует перемещению тепловых потоков при нагревании воды. Движение молекул в противоположных направлениях под воздействием нагревания – это именно то, на чем основывается конвекция. Излучение, теплопроводность выступают схожими процессами, однако касаются прежде всего передачи тепловой энергии в твердых телах.

Рассмотрим применение конвекции на кухне. Когда мы готовим пищу на плите, то жидкость из холодной превращается в теплую. Почему так происходит? Все дело в том, что здесь проявляется явление конвекция. Жидкость при конвекции нагревается снизу вверх. Нагретые слои жидкости – менее плотные и поэтому более легкие – вытесняются вверх более тяжелыми холодными слоям. Холодные слои жидкости, опустившись вниз, в свою очередь, нагреваются от источника тепла и вновь вытесняются менее нагретой водой. Благодаря такому движению вся жидкость равномерно прогревается. Различают два вида конвекции: естественную (или свободную) и вынужденную. Так, нагревание жидкости является примером естественной конвекции. (Рисунок 2) Вынужденная конвекция наблюдается, если перемешивать жидкость мешалкой, ложкой и т.д. Если жидкости прогревать не снизу, а сверху, то конвекция не происходит. Нагретые слои не могут опускаться ниже холодных, более тяжелых. [3]

Рисунок 2 – «Водяное охлаждение»

С явлением конвекции связаны процесс охлаждение продуктов в холодильнике. Газ фреон, циркулирующий по трубкам холодильника, охлаждает воздух в верхней части холодильной камеры. Холодный воздух, опускаясь, охлаждает продукты, а затем снова поднимается вверх. Решетка сзади холодильника предназначается для отвода тепла, образующегося при сжатии газа в компрессоре. Механизм ее охлаждения также конвективный, поэтому надо оставлять пространство за холодильником свободным для конвективных потоков. Все чаще явление конвекции реализуется в современных бытовых приборах, в частности в духовых шкафах. Газовый шкаф с конвекцией позволяет готовить разные блюда одновременно на отдельных уровнях при различной температуре. При этом полностью исключается смешение вкусов и запахов. Нагрев воздуха в традиционном духовом шкафу основывается на работе единственной горелки, что приводит к неравномерному распределению тепла. За счет целенаправленного перемещения горячих потоков воздуха при помощи специализированного вентилятора блюда в конвекционном духовом шкафу получаются более сочными, лучше пропекаются. Такие устройства быстрее нагреваются, что позволяет уменьшить время, требуемое на приготовление пищи.По этим примерам можно понять, что конвекция играет большую роль на кухне. Она помогает при приготовлении пищи в духовке или просто на плите, сохраняет продукты от жары в холодильнике. Все это помогает поддерживать нормальную функциональную жизнедеятельность людям.

Кипение

Кипение – это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре. (Рисунок 3)

Рисунок 3 – «Процесс кипения»

Энергия кипения воды широко используется человеком в быту. Данный процесс стал настолько обыденным и привычным, что никто не задумывается о его природе и особенностях. [1] Тем не менее с кипением связан целый ряд интересных фактов:

Как же происходит этот процесс и от чего он зависит? При нагревании какой-либо жидкости мы увидим ряд особенностей. Прежде всего обратим внимание на то, что с поверхности жидкости происходит испарение. На это указывает туман, образовавшийся над емкость. Это водяной пар смешивается с холодным воздухом и конденсируется в виде маленьких капель. Сам пар, конечно, невидим глазу. При дальнейшем повышении температуры мы заметим появление в жидкости многочисленных мелких пузырьков. Они постепенно увеличиваются в размерах. Это пузырьки воздуха, который растворен в воде. При нагревании воздух выделяется из воды в виде пузырьков. Эти пузырьки содержат не только воздух, но и водяной пар, так как вода испаряется внутрь этих пузырьков воздуха. Поднимающиеся пузырьки, попадая в более холодные слои воды, уменьшаются в размерах, так как содержащиеся в них пары конденсируются и под действием силы тяжести они опускаются. Спустившись вниз, в более горячие слои воды, пузырьки начинают снова подниматься к поверхности. Это попеременное увеличение и уменьшение пузырьков в размерах сопровождается характерным шумом, предшествующим закипанию воды. Постепенно вся вода прогревается, пузырьки уже не уменьшаются в размерах. Под действием архимедовой силы они всплывают на поверхность и лопаются. Находящийся в них насыщенный пар выходит наружу. Шум прекращается, и мы слышим бульканье – жидкость закипела. [3]. Кипение от начала до конца происходит при определенной и постоянной для каждой жидкости температуре. (Таблица 1) Поэтому при варке пищи нужно уменьшать огонь после того, как вода закипит. Это даст экономию топлива, а температура воды все равно сохраняется постоянной во время кипения. [1]

Таблица 1 – «Температура кипения различных веществ»

Все выше сказанное дает понять, что если бы не кипение, то можно было нагревать пищу и не узнать когда она приготовилась, или мы просто ели холодную пищу.

Теплопроводность

Теплопроводность – явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте. [2]

Таблица 2 – «Коэффициент теплопроводности»

Теплопроводность и ее регулировка важны в процессе приготовления пищи. Часто во время тепловой обработки продукта необходимо поддерживать высокую температуру, поэтому на кухне используют металлы, так их теплопроводность и прочность выше, чем у других материалов. (Таблица 2) Из металла делают кастрюли, сковородки, противни, и другую посуду. Когда они соприкасаются с источником тепла, это тепло легко передается еде. Иногда бывает необходимо уменьшить теплопроводность — в этом случае используют кастрюли из материалов с более низкой теплопроводностью, или готовят способами, при которых еде передается меньшее количество тепла. Приготовление блюд на водяной бане — один из примеров уменьшения теплопроводности. Обычно в кастрюлю на огне наливают в воду, в которую ставят вторую кастрюлю с едой. Температура здесь регулируется благодаря более низкой теплопроводности воды и вследствие того, что температура нагревания внутренней кастрюли не превышает температуры кипения воды, то есть 100° C (212° F). Такой способ часто применяют с продуктами, которые легко пригорают или которые нельзя кипятить, например, шоколад. [4]. Металлы, которые очень хорошо проводят тепло — медь и алюминий. Медь более теплопроводна, но и стоит дороже. Из обоих металлов делают кастрюли, но некоторая еда, особенно кислая, реагирует с этими металлами, и у еды появляется металлический привкус. За такими кастрюлями, особенно за медными, необходим тщательный уход, поэтому на кухне чаще используют более дешевые и удобные в обращении и уходе кастрюли из нержавеющей стали. (Рисунок 4)

Рисунок 4 – «Медная посуда»

Потребности в теплопроводности зависят от способа приготовления пищи и от вкуса и консистенции, которой хочет добиться повар. Например, при варке обычно нужна более низкая теплопроводность, чем при жарке. Теплопроводность регулируют, выбирая разную посуду, а также используя продукты с большим или меньшим содержанием жидкости. Например, количество масла на дне кастрюли или сковородки влияет на теплопроводность, так же, как и общее количество жидкости в продукте. Для посуды, предназначенной для приготовления пищи, не всегда используют материалы с высокой теплопроводностью. В духовом шкафу, например, часто используют керамическую посуду, теплопроводность которой намного ниже, чем у металлической посуды. Их самое главное преимущество — способность держать температуру. [2]. Хороший пример использования материалов с высокой теплопроводностью на кухне — плита. Например, конфорки электроплиты сделаны из металла, чтобы обеспечить хорошую передачу тепла от раскаленной спирали нагревательного элемента к кастрюле или сковородке. Люди используют материалы с низкой теплопроводностью между руками и посудой, чтобы не обжечься. Ручки многих кастрюль сделаны из пластмасс, а противни вынимают из духовки прихватками из ткани или пластмассы с низкой теплопроводностью. [4]. Материалы с невысокой теплопроводностью также используют для поддержания температуры еды неизменной. Так, например, чтобы утренний кофе или суп, который берут в путешествие или на обед на работу, оставался горячим, его наливают в термос, чашку или банку с хорошей теплоизоляцией. Чаще всего в них еда остается горячей (или холодной) благодаря тому, что между их стенками находится материал, плохо проводящий тепло. Это может быть пенопласт или воздух, который находится в закрытом пространстве между стенками сосуда. Он не дает теплу перейти в окружающую среду, еде — остыть, а рукам — получить ожог. Пенопласт используют также для стаканчиков и контейнеров для еды навынос. Таким образом, теплопроводность играет важную роль на кухне. Без нее нельзя было бы даже взять кастрюлю или сковородку в руку, потому что могли обжечься. Также она очень хорошо помогает при выборе посуды. Она дает знать, какой материал будет наиболее пригодный для приготовления той или иной пищи.

Заключение

Итак, мы познакомились с тепловыми явлениями, которые наиболее часто встречаются на кухне: конвекция, теплопроводность и кипение. Каждое из них выполняет определенную роль на кухне. Так с помощью конвекция жидкость вся равномерно прогревается Кипение сообщает, что пища приготовилась и набрала определенную температуру. С помощью теплопроводности можно дольше сохранять тепло (пример термоса), а также выбрать посуду, в которой при приготовлении пищи будет возможность взять руками посуду и не обжечься. Таким образом, я делаю вывод о том, что на кухне без знаний физики не обойтись.

Источник

Кухонная техника с конвекцией: что это и для чего

Содержание

Содержание

Техника с режимом конвекции давно «прописалась» в наших домах, но как использовать этот режим готовки и как его применять наиболее эффективно, знает далеко не каждый. Рассмотрим, когда режим конвекции пойдет на пользу блюду, а когда его лучше не использовать.

Принцип действия конвекционных моделей

Начнем с азов, а именно с определения этого явления.

Конвекция — это физический процесс, при котором происходит передача тепловой энергии посредством различных потоков (воды, воздуха и т. д.).

Применительно к кухонной технике, речь идет о переносе тепла воздушными потоками внутри духового шкафа.

Наблюдательный читатель возразит, что, исходя из определения, конвекционной можно назвать любую духовку, ведь в ней постоянно происходит движение воздуха, и будет отчасти прав. Горячий воздух поднимается вверх, а его место занимают более холодные массы. Этот процесс протекает до тех пор, пока присутствует источник тепла, нагревающий воздух в духовке.

Такое явление называется естественной конвекцией. И да, она присутствует во всех без исключения духовках.

Но не всё так просто. Дело в том, что при естественной конвекции происходит неравномерный прогрев зон духового шкафа, в каждой точке — разные температуры, что приводит к неравномерному нагреву продуктов, а в конечном итоге — к дополнительным сложностям для кулинара.

Все мы помним, как наши мамы и бабушки экспериментальным путем определяли ярус духовки, на который необходимо поставить противень с домашней выпечкой, постоянно контролировали, как поднимается и подрумянивается тесто, а в какой-то момент доставали и разворачивали противень на 180°. Выпечка у дальней стенки готовилась быстрее, чем со стороны дверцы, где присутствовал хоть и небольшой, но вредный для нее приток холодного воздуха.

Проблема неравномерного прогрева духового шкафа решается довольно просто. Воздух нужно дополнительно перемешивать! Самый простой способ — установка дополнительного вентилятора, который обеспечит принудительную циркуляцию горячих масс воздуха.

Вентилятор — обязательный элемент конвекционной духовки.

Разновидности кухонных приборов с конвекцией

Вентиляторы повсеместно используются в электрических духовках, как встраиваемых, так и функционирующих в составе электрической плиты, микроволновой печи с конвекцией, компактных электропечах и даже газовых плитах.

Производители весьма неохотно применяют функцию конвекции в газовых духовках, поскольку существует риск задувания пламени горелки. Да и добиться герметичности камеры духового шкафа проблематично, нужно обеспечить приток свежего воздуха и отвод продуктов горения. Чаще в газовых плитах можно встретить электрическую духовку с конвекцией.

Самая доступная «точка входа» в мир конвекционной готовки — компактные электропечи, которые довольно часто оснащают этой полезной функцией. Как правило, это небольшой кухонный девайс с духовым шкафом небольшого объема (25-45л). Стоимость их также невысока, купить электропечь можно от 4 000 руб.

Сразу за ними следуют микроволновки с режимом принудительной вентиляции. Они оснащены дополнительным нагревательным элементом с вентилятором (конвектором), обеспечивающим нагрев воздуха в рабочей камере. Система датчиков поддерживает температуру на заданном уровне. Цены на такие устройства начинаются от 7 000 руб. За эти деньги пользователь получает агрегат объемом 23-39 л.

Наиболее широко режим конвекции используется в электрических духовках. В этом классе уже доступны объемы от 50 л, которых вполне хватит для приготовления ужина на большую компанию. Разбег цен начинается от 11 000 руб.

Некоторые модели духовок снабжают только лишь вентилятором, основная задача которого — смешивание воздушных потоков и создание принудительной циркуляции. Такие приборы стоят немногим дороже своих собратьев без конвекции. В других моделях вентилятор оснащен дополнительным нагревательным элементом, чтобы обдувать блюдо воздухом, сразу разогретым до нужной температуры.

Более дорогие представители класса наделены функцией приготовления на пару, для которой используется влажная конвекция. В специальный отсек заливается обычная вода, которая, испаряясь, смешивается с потоками горячего воздуха.

Продукты обрабатываются горячими потоками паровоздушной смеси.

Наличие этой функции позволит не пересушить продукты и обеспечит простой уход за внутренними поверхностями духовки. Цены на такие устройства начинаются от 24 000 руб.

Преимущества конвекционных печей

Конечно, дополнительные элементы увеличивают стоимость техники, но, как это ни парадоксально звучит, в конечном итоге помогают существенно сэкономить. Выход на рабочие температуры происходит быстрее, а приготовление занимает меньше времени. Следовательно, и электроэнергии расходуется меньше, что отразится на счетах за электричество.

Существует еще несколько неоспоримых преимуществ режима конвекции:

Приготовление в обычной духовке сопряжено с выпариванием влаги из продукта и ее постоянным присутствием в духовке. Режим конвекции создает более сухую атмосферу, которая ускоряет карамелизацию сахара, содержащегося в продукте. Именно поэтому готовые блюда получаются привлекательными внешне и сочными внутри.

Что можно приготовить в режиме конвекции

Режим конвекции лучше всего подойдет для приготовления блюд из мяса, рыбы, птицы и овощей. В приготовлении домашней выпечки конвекционным печам и вовсе нет равных.

А вот кулинарные изделия, чей технологический цикл начинается с жидкого теста (заварные кремы и пирожные, суфле, торты и т. д.) предпочтительней готовить в обычной духовке, поскольку при выпечке этих блюд можно получить обратный эффект — растрескавшуюся пересушенную корку сверху и сырую непропеченную середину. Это же касается и рецептов бездрожжевого хлеба.

При выпекании изделий из дрожжевого опарного теста конвекция раскроет весь свой потенциал, а вот заварные пирожные — безнадежно испортит.

Но не выпечкой единой живет кулинар. Любители хрустящей корочки на птице, рыбе или мясных продуктах по достоинству оценят возможности конвекции. Чтобы не пересушить блюда следуйте простым рекомендациям:

Любителям здорового питания подойдет модель с функцией приготовления на пару. Мясные изделия, блюда из рыбы и овощей, приготовленные таким способом, сохранят максимум полезных веществ, а для их приготовления практически не потребуется масла или жира.

Приготовление в конвекционной печи — довольно увлекательный и творческий процесс. И хотя некоторым блюдам конвекция противопоказана, в большинстве случаев она серьезно выручает. Готовка в режиме конвекции занимает меньше времени, а кулинарные шедевры получаются более вкусными, полезными и визуально привлекательными.

Источник