Termokaffes afkøling – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Videresend til en ven Resize Print Bookmark and Share

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Termokaffes afkøling

14. november 2016

Termokaffes afkøling

Hej Spørg om Fysik
Her i huset har vi en diskussion omkring brugen af vores termokande J.

Min hustru mener, at man med fordel kan ”forvarme” termokanden ved at hælde varmt vand i den, og hælde det varme vand ud lige inden man hælder varm nybrygget kaffe i termokanden.

Jeg mener at ”forvarmningen” ikke har nogen effekt.

Det skulle glæde mig, at høre din mening – på forhånd tak.

Venlig hilsen
M D

Varm eller kold væske i en beholder vil altid ende med at have nogenlunde samme temperatur som omgivelserne, hvis man ikke varmer eller køler. Lad os nøjes med at se på varme væsker.

Afkølingen sker ved varmeledning igennem karrets sider, ved varmestråling (infrarød stråling) samt ved fordampning. Når en væske derfor skal holdes varm må man mindske disse effekter. Fordampningen fra en termobeholder mindskes ved at lukke den, dvs. sætte en eller anden form for prop i. Fordampning specielt, hvis der er træk eller vind, som kan fjerne vanddampene, kan koste meget store energimængder dvs. stor afkøling. Det er derfor vi puster på meget varm mad somme tider.

En styropor beholder til laboratoriebrug

Varmeledningen kan mindskes ved at lave beholdervæggene af et materiale, som er en dårlig varmeleder. Det er glas f.eks. Også ”flamingoskum” (Styropor) er en dårlig varmeleder. Man kan opbevare flydende nitrogen ved -196 °C i en spand af dette materiale med en vægtykkelse på et par centimeter i forholdsvis lang tid. Gode varmeledere, som ikke uden videre er egnede til dette formål, er de fleste metaller idet dog rustfrit stål ikke er nogen god varmeleder. De fleste ved, at tager men en Sterlingsølv ske og rører med i kogende væske, brænder man fingrene, hvorimod det går fint med rustfrit står. Sølv har en varmeledniungsevne på 427 W/(mK), rustfrit stål har 16,3 w/(mK) altså ca. 25 gange mindre. For styropor er varmeledningsevnen 0,04 – 0,14 W/(mK) altså igen meget mindre, og for glas omkring 1W/(mK).

Stråling: Strålingen afhænger af den absolutte temperatur i 4. potens og kaldes Plancks strålingslov. Den absolutte temperatur er temperaturen målt fra det absolutte nulpunkt, som er – 273 °C, så den absolutte temperatur for 0 °C er 273 K (Kelvin, temperaturenheden har samme inddeling som °C, men bare et andet stratpunkt) og kogende vand 373°C. Strålingen fra et sort legeme, som er 100 °C i forhold til 0 °C, er derfor (373/273)4 gange større = 3,5 gange større.

Se også:

Når man laver en termokande er de to almindeligst anvendte muligheder, at man anvender styropor som isolation. Af renholdelsesmæssige grunde har man ofte en plastik eller metal-inderbeholder og en metal eller plastikyderbeholder med håndtag osv.

En laboratorietermobeholder hvor det sluminiserede glas ses klart

Den anden mulighed er at lave en vakuumisolering (der er ingen varmeledning igennem vakuum) i form af et dobbelt forspejlet glaskar, hvor der er vakuum imellem fladerne altså imellem de to lag glas, det kaldes et Dewarkar, . Indersiden af begge glasflader dækkes med aluminium i form af et meget tyndt fordampet lag, så flasken ligner et spejl. Disse lag nedsætter strålingen væsentligt. Skal det være meget fint, kan man i vakuumdelen vikle mange lag tyndt plastik med aluminiumsbelægning, og derved nedsætte strålingen meget mere. Her skal der desuden stadig være en yderbeholder til håndtag mm. Se også http://www.nbi.ku.dk/spoerg_om_fysik/fysik/varmeiso/

Opbygning af en termokande med glasinderflaske

Når man fylder varm kaffe på en kold flaske vil temperaturen falde, fordi inderflasken skal opvarmes, for styropor-modellen antageligt en rustfri stålinderside eller plastik. Desuden sker der fordampning under påfyldningen. Dernæst køles kaffen efterhånden af varmeledning, tildels igennem halsen, hvor inderflasken normalt er forbundet til yderflasken, tildels igennem isolationslaget, afhængigt af hvor tykt og godt det er. Endeligt noget ved stråling. I Dewar modellen er der lidt varmeledning i halsen af termoflasken, men det er ikke meget og glas er en dårlig varmeleder. Som ved styropor beholderen skal indersiden opvarmes, glas har en varmekapacitet på ca. 0,84 kJ/(kg K), rustfrit stål har 0,51 kJ/(kg K) og styropor ca. 1,4 kJ/(kg K) så alle bruger varmeenergi til opvarmningen, og det ligger i samme størrelsesorden med de mængder der normalt anvendes. Et godt termokar med 1 l vand burde teoretisk kun tabe imellem 2 og 5 grader i timen, afhængig af kvaliteten. De fleste termokander viser sig i test, at falde til imellem 55 °C og for de bedste 43 °C på 20 timer.

Når man forvarmer en termokande ved at hælde en kopfuld vand nær 100 °C i kanden og lade den stå lidt med lukket prop, vil man nok i de fleste termokander vinde, hvad der ellers mistes på ca. en time i temperatur. Den skal stå lidt med prop, for at få de varme dampe fra vandet til at opvarme hele indersiden af termokanden. Den overvejelse man så må gøre sig, afhængigt af hvor hurtigt man drikker kaffen, er om udgiften til opvarmning af vandet står i forhold til afkølingen.

Eksempel på termokande, en kugleformig isolationsdel giver minimal overflade.

Det er faktisk noget mange selv vil kunne kontrollere. Hvis man har et termometer der går til 100 grader f.eks et digitalt stegetermometer, kan man kontrollere, hvad det viser ved 100 °C, ved at dyppe termometerets føler i kogende vand. Derefter kan man fylde termokanden op med kogende vand og måle temperaturen straks, og finde afkølingen fra varmekapaciteten, sætter prop på og derefter kan man måle den en gang i timen, til man er nået ned på en temperatur man synes er for lav, man så få en vurdering af kvaliteten. Den en meget god hvis den på 20 timer ender på 55 °C og middel hvis den ender på 45 °C . For de fleste termokander gælder, det at de bliver dårligere med tiden, for de isolerede, især hvis der kommer vand ind i isolationen. Termokander er lige så gode til at holde ting kolde f.eks. kolde drikke til stranden eller tilsvarende.

Min konklusion: Uanset type af termokande vil kaffen få en højere temperatur, når den er i kanden, hvis den er forvarmet. Hvor meget højere afhænger af type af termokande. Om det bedst kan betale sig med at bruge energi på at forvarme vand eller lave mindre kaffe oftere, afhænger af den enkeltes smag og forbrug, samt om kanden er af god eller dårlig kvalitet. Det mest almindelige er vel lidt forvarmning vil jeg tro.

Med venlig hilsen
Malte Olsen