Chejn Zbyněk Septima b 30.5.2004
Z fyzikálního semináře http://www.kolasinovydeti.euweb.cz
Téma :
Úvod:
Toto téma jsem si vybral proto, protože mě zaujala myšlenka udělat seminární práci na téma fyzika v kuchyni. Neměl jsem ani potuchy, kde se dá něco najít o kuchyni. Nikdy jsem o něčem takovém neslyšel. Toto panoramatické foto charakterizuje téma této práce. Takovou práci jsem v životě nedělal a nevěděl jsem jak na to, ale…
Osnova: 1) Fyzika v kuchyni z pohledu ENERGETICKÉHO
2) Fyzikální pohled na přístroje v kuchyni 3) Jaké fyzikální pochody se dějí v kuchyni a jaké má kuchyň funkce
4) Fyzikální zákonitosti v kuchyni
Zdroje: A) Moje vlastní hlava, myšlenky, nápady B) Internet C) „Jak se to dělá?“ Reader’s Digest Výběr D)Středoškolské učebnice fyziky
Prohlášení: Tímto prohlášením stvrzuji, že jsem tuto seminární práci napsal a udělal sám, bez jakékoliv pomoci. Takto přísahám a stvrzuji svým podpisem.
¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨
Úvod do tématu :
Položíme-li si zajímavou otázku, jak ovlivňuje fyzika, nebo lépe řečeno fyzikální zákony, chod kuchyně v bytě nebo rodinném domě, tak po hlubším zamyšlení zjišťujeme, že se prakticky promítá do všech činností, které se v kuchyních odehrávají a to zejména v oblasti energetické, která se dále odráží v oblasti nákladové.
1) Energie a teplo Jsou to v podstatě tyto oblasti : a) b) c) d) e)
Vytápění Získávání teplé vody Elektrická energie pro vaření Osvětlení Větrání
Všechny uvedené body vlastně představují problém spotřeby energie. V dnešní době, kdy se ve zvýšené míře do popředí dostává ekologické a ekonomicky výhodné získání této energie, je třeba se blíže věnovat poznání jednotlivých možností, které jsou k dispozici.
A) Vytápění
V současné době připadá v úvahu pro převážnou část domácností bydlení v panelových, nebo rodinných domech. Oba způsoby jsou z fyzikálního pohledu poměrně odlišné.
1) Panelový dům V nich se jedná o předem dané velikosti kuchyní a vytápění je dálkové z výtopny, nebo elektrárny. V těchto případech bychom měli dbát na dobře provedené zateplení vnějších stěn budovy, buďto venkovním izolačním pláštěm, nebo si můžeme provést izolační zateplení vnitřní izolační tapetou. Výrobci udávají ušetření energie tímto způsobem o 5-10 %.
Dalším důležitým opatřením pro hospodárné užívání životodárného tepla je instalovat reflexní tepelnou izolaci za těleso ústředního topení, které zamezí zbytečnému úniku tepla skrz zeď. Výrobci udávají rovněž úsporu tepla okolo 10-25 %, podle kvality tepelné reflexní fólie. Zde je tedy využit fyzikální zákon o předávání tepla mezi tělesy a taky jejich okolím.
Pro představu je možno uvést, že v třípokojovém bytě a při ceně za teplo /rok = 20 000Kč, činí tato úspora cca 4000Kč, tedy pro kuchyň je to cca ¼, tj. 1000Kč.
Tepelná izolace zdí
Odražené teplo
Venkovní zeď Sálavé teplo
Obr.1 Topné těleso
Reflexní tapeta odrážející sálavé teplo
Izolační tapeta 5-6mm
2) Rodinný dům
Zde je situace jiná, obyvatel domu si může volit jednak velikost kuchyně, použité materiály z hlediska jejich tepelně-izolačních vlastností, způsob vytápění i z hlediska použitého topného média, které je v dané lokalitě a časové etapě ekonomicky nejvýhodnější. Podle současných zkušeností, protože ceny za tepelné zdroje (plyn, elektrická energie, uhlí, dřevo) se mění, tak se jako nejvýhodnější jeví kotel na různé druhy paliva a používat v dané době nejlevnější médium. U vlastníků rodinných domů, kteří disponují většími investičními prostředky, jsou k dispozici i nejnovější metody získávání tepla hlubinnými vrty (předávání tepla z hlubin země), nebo větrné turbíny, které jsou ale velmi ekonomicky náročné , ale po delším čase se tyto vynaložené prostředky vracejí.
Zvláštností kuchyní oproti ostatním místnostem je vaření, kterým se získává tolik tepla, že úplně stačí a nahrazuje po určitou denní dobu vlastní topení a proto je nutností mít možnost vypínat topná tělesa uzavíracími ventily.
B) Získávání teplé vody Pro získávání teplé vody pro kuchyně jsou prakticky k dispozici tato tepelná média: a) elektřina b) plyn c) dálkové dodávání tepla z výtopen (elektrárna- přes výměníkové stanice) d) u rodinných domů v bojlerech, kde je možno topit např. dřevem, uhlím, koksem …
Abych mohl posoudit, které z médií je pro získávání teplé vody nejvýhodnější, tedy nejlevnější, provedl jsem tato měření: Ohřál jsem 5 litrů studené vody běžně dodávané z vodovodní sítě o teplotě T1=13 °C na teplotu teplé vody dodávané z výměníku (měřeno teploměrem na zavařování, teplota T2 činila 49°C)
a) na plynovém vařiči b) na elektrickém vařiči Pak jsem na plynoměru a elektroměru odečetl množství odebraného média
Viz a)
ohřev 5 litrů vody plynem Sp…stav plynoměru na počátku :=2,2272 Sk…stav plynoměru na konci :=2,3395 Spotřeba Sk-Sp=0,1123m3
Spotřeba m3
Cena v Kč/m3
Cena celkem v Kč
0,1123
11,90
P=1,3
Viz b)
ohřev 5 litrů vody elektřinou Sp…stav elektroměru na počátku :2,7KWh Sk…stav elektroměru na konci :3,3KWh Spotřeba Sk-Sp =0,6KWh Spotřeba KWh Cena v Kč/KWh Cena celkem v Kč
0,6
3,22
E=1,9
Pozn. Podle Severomoravských plynáren se Od roku 2001 přepočítávají m3 na KWh (práce)
Viz c)
Cena teplé užitkové vody z výměníku, teplárny Z ročního vyúčtování za ohřev teplé užitkové vody ve výměníku jsem odečetl cenu 69,2Kč/m3, z čehož vyplývá cena za ohřev 5 litrů V=0,35Kč/5litrů. Ze srovnání vyplývá , že z hlediska cenové výhodnosti je získávání teplé užitkové vody při výše uvedených podmínkách v tomto pořadí: 1) z výměníku 2) ohřev plynem 3) ohřev elektrickou energií Poměr nákladů činí: V : P : E = 0,35 : 1,3 : 1,9 Při spotřebě teplé užitkové vody za rok celkem : 50litrů/den *365dní = 1825 litrů => 1,8m3
cena teplé užitkové vody za rok: z výměníku:1,8*(3,5/3,5)*69,2=125Kč ohřev plynem:1,8*(13/3,5)*69,2=462Kč ohřev elektrickou energií:1,8*(19/3,5)*69,2=676Kč Vhodnou volbou média je tedy možno získat úsporu v kuchyni za teplou užitkovou vodu přibližně 550Kč. Porovnání nákladů takto získané teplé užitkové vody s náklady teplé užitkové vody získané v kotli rodinného domu, kde je topeno v kotli např. dřevem, jsem nemohl získat, protože jsem neměl možnost provést měření.
C) Energie pro vaření Posouzení vhodnosti použitého média pro vaření v kuchyni je možno odvodit, nebo je možno říct, že je obdobné, jako u problematiky získávání teplé užitkové vody. Z tabulky uvedené v předchozím bodě vyplývá, že nejvhodnějším je plyn, avšak moderní elektrické sporáky s rychlovarnými plotýnkami , kde nedochází ke ztrátám rozehříváním, se plynovým sporákům vyrovnávají. Při vaření je třeba v praxi používat, nebo alespoň zohledňovat tyto fyzikální zákony: 1) tekutina, která má být uvedena do varu, se musí ohřívat na maximální výkon, protože se zkrátí doba tepelných ztrát (zákon o předávání tepla) 2) po uvedení do varu ztlumit další ohřev na minimum, jen pro udržení varu( dodávání nadměrného tepla vařící kapalině je mrhání. Např. vodu na více jak 100 °C v normálních podmínkách nezehřejete) 3) vařit vždy pod pokličkou =>>zamezení ztrát 4) nutnost dlouhodobého vaření nahrazovat vařením v tlakovém hrnci (viz. dále) 5) Při vaření na elektrickém sporáku (vařiči), používat hrnce s rovným, zabroušeným dnem, aby byla co největší dotyková plocha a aby nebyla mezi hrncem a vařičem vzduchová vrstva, která má stejný účinek jako izolační vrstva (zákon o vedení tepla--- prostup a předání)
V současné době moderních kuchyní se používají další vynálezy, jako např. grily, mikrovlnné trouby, mrazničky, mixery, které jsou více i méně náročné na spotřebu energie. Proto při koupi této techniky vždy hledíme na jejich energetickou náročnost a kupujeme jen energetickou třídu A.
D) Osvětlení V kuchyni v současném provedení, kdy je zabudována kuchyňská linka, je třeba pracovní osvětlení nad linkou a centrální nad stolem. Abychom zajistili dostatečné a příjemné osvětlení, opatříme světlo nad pracovní deskou žárovkou o výkonu p=40W a centrální o výkonu p2=100W. V dalších úvahách použijeme vzorec pro výkon elektrického proudu P=UI. Protože klasické žárovky svým provedením umožňují využití pro světlo jen cca 20%, zbývajících 80% výkonu se přeměňuje v tepelnou energii. Proto se budeme snažit používat žárovek nových, moderních, založených ne na principu žhavení vlákna, ale tzv. zářivky. Tak např. tato nová žárovka o výkonu 7W nahrazuje svou účinností a svítivostí klasickou žárovku o výkonu 25W, tedy zhruba v poměru 1:3 . V tomto poměru lze také ušetřit za elektrickou energii osvětlení. Příklad: Použijeme-li pro osvětlení kuchyně moderní žárovky o výkonu 7W a 25W namísto klasických žárovek o výkonu 25W a 100W ušetříme výkon přibližně 90W. Budeme.li svítit průměrně 6 hodin denně, činí úspora elektrické energie za rok 90*6*365 = 197,1KWh. Při ceně 3,22Kč/KWh představuje úspora 197,1*3,22 = 635Kč/rok.
E) Větrání Větrání kuchyní je s ohledem na převážné jejich vytápění a vaření plynem velice důležité zejména z hlediska bezpečnosti.Větrání je možno zabezpečit dvojím způsobem. 1) Nuceným odsáváním – digestoř umístěná nad sporákem 2) Přirozeným odsáváním při použití vlastností plynů, že ohřátý plyn je lehčí ( má menší hustotu a proto stoupá vzhůru) Výhody a nevýhody obou způsobů: Digestoř vyžaduje ventilátor. Pro představu o provozních nákladech tohoto zařízení uvádím příklad: Výkon ventilátoru je 5W, pracuje 4 hodiny denně, cena KWh je 3,22Kč/KWh. Za rok představují náklady na toto zařízení 5*4*365=7,3KWh*3,22 =>>24Kč. Náklady jsou zanedbatelné. Přirozené větrání vyžaduje vysekání dvou otvorů nad sebou (u podlahy a u stropu) , aby se mohl uplatnit komínový efekt. Tento způsob vyžaduje možnost uzavření větracích otvorů v době, kdy se v kuchyni nevaří, protože zbytečně uniká teplo. Na druhé straně nevyžaduje žádné náklady ani údržbu. Závěr: Z provedeného rozboru a měření vyplývá, že z hlediska cenového je v současné době nejvýhodnější získávat pro potřeby kuchyně teplou vodu ohřívanou ve výměnících (teplárny). A nejméně výhodné je ohřívat vodu elektrickou energií. Z hlediska vytápění kuchyní je s ohledem na výše uvedené ekonomicky nejvýhodnější ústřední topení, nejméně výhodný je elektrický přímotop. Při vaření je třeba dodržovat zásady dobrých hospodyněk, vařit s pokličkou, používat tlakový hrnec, používat nejúspornější možné nastavení, při vaření na elektrickém sporáku používat hrnce s broušeným dnem. Problematika osvětlení a větrání kuchyní z hlediska ekonomického je nepodstatná.
Provoz kuchyní ovlivňují fyzikální zákony, které se týkají hlavně předávání tepla a vlastností plynů.
1. termodynamický zákon 1. termodynamický zákon (též 1. termodynamická věta): "Změna vnitřní energie termodynamické soustavy se rovná součtu tepla dodaného soustavě a práce vykonané na soustavě." Matematické vyjádření zákona: ∆U = Q + W kde ∆U je změna vnitřní energie, Q je teplo, W je práce Jestliže Q > 0 (soustava teplo přijímá) a W > 0 (na soustavu je vykonávána práce), pak ∆U > 0 (vnitřní energie roste). Jestliže Q < 0 (soustava teplo odevzdává) a W < 0 (soustava koná práci), pak ∆U < 0 (vnitřní energie klesá). Speciální případy: 1) Je-li soustava tepelně izolována, neboli Q = 0, pak ∆U = W, neboli vnitřní energie se mění pouze konáním práce. Jedná se o adiabatický děj. 2) Jestliže se během termodynamického děje nekoná žádná práce, neboli W = 0, pak ∆U = Q, neboli vnitřní energie se mění pouze díky teplu. Jedná se o tepelnou výměnu. Důsledkem 1. termodynamického zákona je fakt, že neexistuje perpetuum mobile 1. stupně, tj. tepelný stroj, který by konal práci, aniž by spotřebovával energii.
2) Přístroje v kuchyni V kuchyni se většinou vyskytují tato zařízení: a) Lednička b) Mikrovlnná trouba c) Papinův hrnec a vaření v něm d) Termoska Viz a)
Lednička (též mraznička, mrazák) je chladící stroj, který slouží v kuchyni k uchování potravin při nízké teplotě (v ledničce asi 5 °C, v mrazícím boxu -20 °C). Základem je okruh s chladící kapalinou (kapalina s nízkou teplotou varu) a kompresor. Kompresor vtlačuje plyn vzniklý z kapaliny do
výměníku, který je tvořen tlustostěnou kovovou trubicí s malým vnitřním průřezem (černá mřížka na zadní straně ledničky). Ve výměníku se plyn mění na kapalinu, která je navíc stlačením zahřátá na teplotu vyšší než okolí ledničky, a tak přebytečné teplo odevzdává kapalina okolí. Pak se kapalina dostává do výparníku, který má ve svých stěnách trubici s větším průřezem než byl ve výměníku. V tomto prostoru se pro kapalinu prudce sníží tlak, tím i teplota varu, a kapalina se začne vypařovat, k tomu potřebné teplo odebírá z vnitřku ledničky. Pak je plyn přiváděn zpět ke kompresoru a cyklus se opakuje.
Viz b)
Mikrovlnná trouba je přístroj, ve kterém se tepelná úprava pokrmu provádí pomocí mikrovln. Mikrovlnné záření je schopno rozkmitat částice v pokrmu stejně jako při "klasických" způsobech šíření tepla. Přitom mikrovlny pronikají dovnitř pokrmu a tím dochází k relativně velmi rychlému zahřátí celku.
Viz c)
Papinův hrnec neboli tlakový hrnec je tlustostěnný hrnec, sloužící k vaření za vyššího tlaku, než je běžný atmosférický tlak. Vyšším tlakem se dosáhne vyšší teploty vaření, a tím i rychlejšího uvaření pokrmu. Důležitou součástí hrnce je otvor uzavřený těžkou, ale pohyblivou, zátkou, jehož úkolem je propouštět přebytečnou páru a nedopustit nebezpečné zvýšení tlaku, které by vedlo k roztržení hrnce a výbuchu. K větší ochraně má Papinův hrnec tepelnou pojistku, která se při nebezpečném zvýšení teploty roztaví a uvolní páru z hrnce.
Vaření v Papinově hrnci Vaření v Papinově hrnci je tepelná úprava pokrmu, při které se pevné kusy vaří ve vodě při větším tlaku, a tím i při vyšší teplotě varu vody (120°C až 130°C, teplota varu vody za normálního tlaku je asi 100°C). Díky vyšší teplotě je pokrm připraven rychleji než při vaření, též chuťové vlastnosti pokrmu mohou zůstat v uzavřené nádobě výraznější.
Viz d)
Termoska (též termoláhev) je speciálně vyrobená láhev, která slouží k uchování teplého, příp. studeného nápoje (pokrmu). Základem je vnitřní nádoba s lesklými dvojitými stěnami, z mezery mezi stěnami je vyčerpán vzduch. Přes toto vakuum nemůže teplo unikat vedením, tepelné záření se odráží zpět do nádoby od lesklých stěn, z nádoby uzavřené zátkou nemůže teplo uniknout ani prouděním.
3) Funkce a fyzikální pochody Z pohledu funkcí kuchyní je to určitě vaření, ale když se řekne vaření, tak to znamená i spoustu dalších úkonů: a) Vaření je tepelná úprava pokrmu, při které se pevné kusy vaří ve vodě při teplotě varu vody (100°C). Teplo se při vaření šíří vodou prouděním, proto je třeba zahřívat pokrm odspoda, v pevných kusech se teplo šíří vedením. V případě vaření hustší kapaliny (omáčky, ap.) je třeba proudění podporovat mícháním, jinak dojde k připálení. Vzhledem k poměrně nízké teplotě při vaření trvá vaření větších kusů dlouho. b) Flambování je opalování některých pokrmů různě aromatizovaným alkoholem (koňakem, likérem, rumem, vodkou nebo vínem). Tato úprava zlepšuje vzhled, nebo chuť pokrmu. Spočívá v tom, že malé množství alkoholu, kterým se polije obsah pánve, zapálíme a necháme hořet tak dlouho, až se alkohol spálí a zůstane ve flambovaného pokrmu jen delikátní složení šťávy, v níž veškerý přebytek tuku byl spálen a spotřebován plamenem. c) Zavařování je způsob tepelné úpravy pokrmu, při které se pokrm vaří ve sklenici s víčkem a následně se nechá zchladnout. Vařením se z nádoby vytlačí vzduch, ochlazením se sníží tlak páry v nádobě a víčko se okolním atmosférickým tlakem přitlačí ke sklenici. Zavařený pokrm se tak může déle uchovat bez zkažení.
d) Grilování je tepelná úprava pokrmu, při které na pokrm dopadá tepelné záření. Tepelné záření bývá vyvolané elektrickou topnou spirálou (v troubě, v mikrovlnné troubě) nebo žhnoucími kusy paliva (otevřená ohniště). Teplota okolního vzduchu při grilování by neměla být příliš velká, aby nedocházelo ve větším měřítku k jinému způsobu předávání tepla. Proti připálení povrchových vrstev se pokrm polévá šťávou. K tomu, aby došlo k dostatečné tepelné úpravě i uvnitř pokrmu, jsou pro grilování vhodnější tenčí kousky. e) Fritování je tepelná úprava pokrmu podobná smažení. Na rozdíl od smažení je pokrm při fritování celý ponořen do horkého oleje, jeho příprava je proto rychlejší a rovnoměrnější. Rovněž teplotu oleje lze regulovat, a tak nemusí docházet k nezdravému přepálení oleje. f) Smažení je tepelná úprava pokrmu, při které se pevné kusy smaží v oleji při teplotě o dost vyšší (přes 200°C) než je teplota varu vody. Tím se pokrmy připraví rychleji než vařením. Aby nedocházelo k připalování při vysoké teplotě, ale přitom byl pokrm dostatečně tepelně upraven i uvnitř, je nutné smažit pouze tenké plátky. g) Dušení je tepelná úprava pokrmu velmi podobná vaření s tím rozdílem, že se používá menší množství vody a pokrm se dusí víceméně ve vlastní šťávě. Tím dojde k uchování a zvýraznění charakteristické chuti pokrmu. h) Pečení je tepelná úprava pokrmu prováděná v troubě vyhřáté na teplotu 150°C až 250 °C (podle druhu pokrmu). Teplo se v pokrmu šíří vedením, a vzhledem k tomu, že se většinou pečou větší kusy, trvá pečení dlouho. Proti připalování na povrchu se pokrmy polévají šťávou, proti připalování od pečící nádoby se teplota snižuje podléváním vodou (max. teplota varu 100°C).
Zato z pohledu fyzikálních pochodů: a) Tání –rozmrazování potravin b) Tuhnutí – zmrazení v chladničkách c) Var a vypařování – např. vaření čaje d) Kapalnění (Kondenzace) – srážení vodní páry na pokličce
4) Fyzikální zákonitosti Proudění tepla je jeden ze způsobů šíření tepla v kapalinách a plynech, při kterém se přemísťují přímo částice s větší energií. Ve srovnání s vedením tepla může být proudění tepla rychlejší. Samovolné tepelné proudění stoupá vzhůru, protože teplejší části kapalin a plynů mají menší hustotu. Tepelné záření (též infračervené záření) je jeden ze způsobů šíření tepla, při kterém každé těleso s teplotou vyšší než okolí vyzařuje teplo a každé těleso s teplotou nižší než okolí pohlcuje teplo. Množství vyzařovaného a přijímaného tepla závisí na rozdílu teplot tělesa a okolí a na barvě povrchu tělesa (tmavá a matná tělesa vyzařují a přijímají více tepla, světlá a lesklá tělesa vyzařují a přijímají méně tepla). Tepelné záření se nejlépe šíří ve vakuu, svou podstatou to je jeden z druhů elektromagnetického záření. Vedení tepla je jeden ze způsobů šíření tepla v tělesech, při kterém si část své pohybové energie předávají pomocí nárazů sousední částice těles. Vedení tepla je nejčastější způsob šíření tepla v pevných tělesech, podle rychlosti vedení tepla se pevné látky dělí na tepelné vodiče a tepelné izolanty. Porovnat látky podle jejich tepelné vodivosti umožňuje veličina součinitel tepelné vodivosti. Stavová rovnice vyjadřuje vzájemnou závislost stavových veličin při termodynamických dějích v plynech. Pro ideální plyn má stavová rovnice tvar: p . V = n . R . T , kde p je tlak plynu, V je objem plynu, n je látkové množství, R je molární plynová konstanta a T je termodynamická teplota.
Tepelná výměna je termodynamický děj, při kterém dochází k výměně tepla mezi dvěma tělesy s různou teplotou. Tepelná výměna vždy probíhá tak, že teplejší těleso předává část své vnitřní energie chladnějšímu tělesu. Výměna tepla může probíhat vedením nebo zářením. Pokusně se tepelná výměna provádí pomocí kalorimetru. Teplo je část vnitřní energie, kterou těleso přijme nebo odevzdá při tepelné výměně druhému tělesu. Je třeba rozlišovat dvě různé veličiny: teplota, která vyjadřuje stav tělesa, a teplo, které vyjadřuje změnu stavu tělesa. Značka: Q Základní jednotka: joule, zkratka J Další jednotky: viz práce Výpočet: Q = m.c.∆t, kde m je hmotnost, c je měrná tepelná kapacita, ∆t je rozdíl počáteční teploty t1 a koncové teploty t2 (∆t = t2 - t1). Termodynamická teplota (též teplota) je fyzikální veličina, která vyjadřuje stav termodynamické rovnováhy tělesa. Značka: t, T (angl. temperature) Základní jednotka: kelvin, zkratka K Další používané jednotky: stupeň Celsia °C, stupeň Fahrenheita °F, stupeň Reaumura °R Měřidla: teploměr kapalinový (rtuťový, lihový), plynový, teploměr bimetalový, teploměr elektrický (termoelektrický, odporový), teploměr radiační (pyrometr)
Závěr: Napsání této práce mi zabralo dost času, ale uběhl velmi rychle , protože psát na zajímavé téma je zábavné a jde to od ruky. Sehnat materiály bylo úplně nejtěžší, ale povedlo se.
