stringtranslate.com

Джоулевое тепло

Спиральный нагревательный элемент электрического тостера, светящийся от красного до желтого цвета

Джоулев нагрев (также известный как резистивный, резистивный или омический нагрев) — это процесс, при котором при прохождении электрического тока через проводник выделяется тепло .

Первый закон Джоуля (также просто закон Джоуля ), также известный в странах бывшего СССР как закон Джоуля–Ленца, [1] гласит, что мощность нагрева, выделяемая электрическим проводником, равна произведению его сопротивления на квадрат тока. Джоулево тепло действует на весь электрический проводник, в отличие от эффекта Пельтье , который переносит тепло от одного электрического перехода к другому.

Джоулевый нагрев или резистивный нагрев используется во многих устройствах и промышленных процессах. Часть, которая преобразует электричество в тепло, называется нагревательным элементом .

Среди многочисленных практических применений можно выделить:

История

Джеймс Прескотт Джоуль впервые опубликовал в декабре 1840 года реферат в Proceedings of the Royal Society , предположив , что тепло может генерироваться электрическим током. Джоуль погрузил длину провода в фиксированную массу воды и измерил повышение температуры из- за известного тока, протекающего через провод в течение 30 минут . Изменяя ток и длину провода, он вывел, что выделяемое тепло пропорционально квадрату тока, умноженному на электрическое сопротивление погруженного провода. [5]

В 1841 и 1842 годах последующие эксперименты показали, что количество вырабатываемого тепла пропорционально химической энергии, используемой в гальваническом столбе , который генерировал шаблон. Это привело Джоуля к отказу от теории теплорода (в то время доминирующей теории) в пользу механической теории тепла (согласно которой тепло является другой формой энергии ). [5]

Резистивный нагрев был независимо изучен Генрихом Ленцем в 1842 году. [1]

Единица энергии в системе СИ впоследствии была названа джоулем и получила символ Дж . Общеизвестная единица мощности, ватт , эквивалентна одному джоулю в секунду.

Микроскопическое описание

Джоулево тепло вызывается взаимодействием носителей заряда (обычно электронов ) с телом проводника.

Разность потенциалов ( напряжение ) между двумя точками проводника создает электрическое поле , которое ускоряет носители заряда в направлении электрического поля, сообщая им кинетическую энергию . Когда заряженные частицы сталкиваются с квазичастицами в проводнике (т. е. канонически квантованными, ионными колебаниями решетки в гармоническом приближении кристалла), энергия передается от электронов к решетке (путем создания дальнейших колебаний решетки). Колебания ионов являются источником излучения (« тепловой энергии »), которое измеряется в типичном эксперименте.

Потеря мощности и шум

Джоулев нагрев называют омическим нагревом или резистивным нагревом из-за его связи с законом Ома . Он составляет основу для большого количества практических приложений, связанных с электрическим нагревом . Однако в приложениях, где нагрев является нежелательным побочным продуктом использования тока (например, потери нагрузки в электрических трансформаторах ), отвлечение энергии часто называют резистивными потерями . Использование высоких напряжений в системах передачи электроэнергии специально разработано для уменьшения таких потерь в кабелях за счет работы с соразмерно более низкими токами. Кольцевые цепи , или кольцевые магистрали, используемые в домах Великобритании, являются еще одним примером, где питание подается в розетки при более низких токах (на провод, используя два параллельных пути), тем самым уменьшая джоулев нагрев в проводах. Джоулев нагрев не происходит в сверхпроводящих материалах, поскольку эти материалы имеют нулевое электрическое сопротивление в сверхпроводящем состоянии.

Резисторы создают электрический шум, называемый шумом Джонсона-Найквиста . Существует тесная связь между шумом Джонсона-Найквиста и джоулевым нагревом, объясняемая теоремой флуктуации-диссипации .

Формулы

Постоянный ток

Наиболее фундаментальной формулой для джоулева нагрева является обобщенное уравнение мощности: где

Объяснение этой формулы ( ) следующее: [6]

( Энергия, рассеиваемая за единицу времени ) = ( Заряд, проходящий через резистор за единицу времени ) × ( Энергия, рассеиваемая за один заряд, проходящий через резистор )

Предполагая, что элемент ведет себя как идеальный резистор и что мощность полностью преобразуется в тепло, формулу можно переписать, подставив закон Ома , , в обобщенное уравнение мощности: где Rсопротивление .

Напряжение в цепях постоянного тока можно увеличить, последовательно соединив батареи или солнечные панели.

Переменный ток

Когда ток изменяется, как это происходит в цепях переменного тока,

где t — время, а P — мгновенная активная мощность, преобразуемая из электрической энергии в тепло. Гораздо чаще средняя мощность представляет больший интерес, чем мгновенная мощность:

где «avg» обозначает среднее значение за один или несколько циклов, а «rms» обозначает среднеквадратичное значение .

Эти формулы справедливы для идеального резистора с нулевым реактивным сопротивлением . Если реактивное сопротивление не равно нулю, формулы модифицируются:

где — разность фаз между током и напряжением, означает действительную часть , Zкомплексное сопротивление , а Y*комплексно сопряженная величина проводимости ( равная 1/ Z* ).

Более подробную информацию о реактивном случае см. в разделе Питание переменного тока .

Дифференциальная форма

Джоулевое тепло также можно рассчитать в определенном месте пространства. Дифференциальная форма уравнения Джоулева тепла дает мощность на единицу объема.

Здесь — плотность тока, а — электрическое поле. Для материала с проводимостью , и поэтому

где - удельное сопротивление . Это напрямую напоминает термин " " макроскопической формы.

В гармоническом случае, когда все величины поля изменяются с угловой частотой как , комплексные векторы и обычно вводятся для плотности тока и напряженности электрического поля соответственно. Джоулево тепло тогда читается как , где обозначает комплексно сопряженное .

Передача электроэнергии

Воздушные линии электропередач передают электроэнергию от производителей к потребителям. Эти линии электропередач имеют ненулевое сопротивление и поэтому подвержены джоулевому нагреву, что приводит к потерям при передаче.

Разделение мощности между потерями при передаче (Джоулевым нагревом в линиях передачи) и нагрузкой (полезной энергией, поставляемой потребителю) можно аппроксимировать с помощью делителя напряжения . Чтобы минимизировать потери при передаче, сопротивление линий должно быть как можно меньше по сравнению с нагрузкой (сопротивлением бытовых приборов). Сопротивление линии минимизируется за счет использования медных проводников , но сопротивление и характеристики электропитания бытовых приборов фиксированы.

Обычно между линиями и потреблением размещается трансформатор . Когда ток высокого напряжения малой интенсивности в первичной цепи (до трансформатора) преобразуется в ток низкого напряжения большой интенсивности во вторичной цепи (после трансформатора), эквивалентное сопротивление вторичной цепи становится выше [7] и потери при передаче пропорционально уменьшаются.

Во время войны токов установки переменного тока могли использовать трансформаторы для снижения потерь в линии из-за джоулева нагрева за счет более высокого напряжения в линиях передачи по сравнению с установками постоянного тока .

Приложения

Пищевая промышленность

Общий процесс джоулева нагрева пищевых продуктов

Джоулевый нагрев — это асептический процесс мгновенной пастеризации (также называемый «высокотемпературной кратковременной» (HTST)), при котором через пищу пропускают переменный ток частотой 50–60 Гц. [8] Тепло вырабатывается за счет электрического сопротивления пищи. [8] [9] [10] [11] По мере нагревания продукта электропроводность линейно увеличивается. [3] Лучше всего использовать более высокую частоту электрического тока, поскольку она снижает окисление и металлическое загрязнение. [8] Этот метод нагрева лучше всего подходит для продуктов, содержащих частицы, взвешенные в слабой солесодержащей среде, из-за их высоких сопротивлений. [4] [8]

Тепло генерируется быстро и равномерно как в жидкой матрице, так и в частицах , что позволяет получать стерильный продукт более высокого качества, подходящий для асептической обработки . [11] [12]

Электрическая энергия линейно преобразуется в тепловую энергию по мере увеличения электропроводности , и это ключевой параметр процесса, который влияет на равномерность и скорость нагрева. [11] Этот метод нагрева лучше всего подходит для пищевых продуктов, содержащих частицы, взвешенные в среде с низким содержанием соли, из-за их высоких свойств сопротивления . [10] Омический нагрев полезен из-за его способности инактивировать микроорганизмы посредством термического и нетермического повреждения клеток. [11] [13] [14]

Этот метод также может инактивировать антипитательные факторы , тем самым сохраняя питательные и сенсорные свойства . [13] Однако омический нагрев ограничен вязкостью , электропроводностью и отложениями загрязнений . [9] [10] [11] Хотя омический нагрев еще не одобрен Управлением по контролю за продуктами и лекарствами ( FDA ) для коммерческого использования, этот метод имеет множество потенциальных применений, начиная от приготовления пищи и заканчивая ферментацией . [11]

Существуют различные конфигурации для систем непрерывного омического нагрева, но в самом базовом процессе [11] необходим источник питания или генератор для выработки электрического тока. [10] Электроды , находящиеся в непосредственном контакте с пищей, пропускают электрический ток через матрицу. [10] Расстояние между электродами можно регулировать для достижения оптимальной напряженности электрического поля. [10]

Генератор создает электрический ток, который течет к первому электроду и проходит через пищевой продукт, помещенный в зазор между электродами. [10] Пищевой продукт сопротивляется потоку тока, вызывая внутренний нагрев. [11] Ток продолжает течь ко второму электроду и обратно к источнику питания, замыкая цепь. [10] Изоляционные колпачки вокруг электродов контролируют среду внутри системы. [10]

Напряженность электрического поля и время пребывания являются ключевыми параметрами процесса, которые влияют на выработку тепла. [11]

Идеальными продуктами для омического нагрева являются вязкие продукты с частицами. [11]

Эффективность преобразования электричества в тепло зависит от содержания соли, воды и жира из-за их коэффициентов теплопроводности и сопротивления. [13] В пищевых продуктах с частицами частицы нагреваются быстрее, чем жидкая матрица из-за более высокого сопротивления электричеству, а соответствующая проводимость может способствовать равномерному нагреву. [11] Это предотвращает перегрев жидкой матрицы, в то время как частицы получают достаточную тепловую обработку. [9] В таблице 1 показаны значения электропроводности некоторых пищевых продуктов, чтобы продемонстрировать влияние состава и концентрации соли. [11] Высокие значения электропроводности представляют большее количество ионных соединений, взвешенных в продукте, что прямо пропорционально скорости нагрева. [10] Это значение увеличивается в присутствии полярных соединений , таких как кислоты и соли, но уменьшается в присутствии неполярных соединений , таких как жиры. [10] Электропроводность пищевых материалов обычно увеличивается с температурой и может изменяться, если во время нагревания происходят структурные изменения, такие как желатинизация крахмала. [11] Плотность, pH и удельная теплоемкость различных компонентов в пищевой матрице также могут влиять на скорость нагрева. [13]

Преимущества омического нагрева включают: равномерный и быстрый нагрев (>1°Cs −1 ), меньшее время приготовления, более высокую энергоэффективность , более низкие капитальные затраты и одновременный нагрев по всему объему пищи по сравнению с асептической обработкой , консервированием и PEF . [12] Объемный нагрев позволяет осуществлять внутренний нагрев вместо передачи тепла из вторичной среды. [9] Это приводит к производству безопасной, высококачественной пищи с минимальными изменениями структурных, питательных и органолептических свойств пищи. [9] Теплопередача равномерна и достигает областей пищи, которые труднее нагревать. [11] На электродах скапливается меньше загрязнений по сравнению с другими методами нагрева. [10] Омический нагрев также требует меньше очистки и обслуживания, что приводит к экологически безопасному методу нагрева. [9] [11] [12]

Инактивация микроорганизмов при омическом нагреве достигается как термическим, так и нетермическим повреждением клеток электрическим полем. [14] Этот метод уничтожает микроорганизмы за счет электропорации клеточных мембран , физического разрыва мембраны и лизиса клеток . [11] [13] При электропорации чрезмерная утечка ионов и внутримолекулярных компонентов приводит к гибели клеток. [13] При разрыве мембраны клетки набухают из-за увеличения диффузии влаги через клеточную мембрану. [12] Выраженное разрушение и разложение клеточных стенок и цитоплазматических мембран вызывает лизис клеток. [11] [13] [14]

Сокращение времени обработки при омическом нагреве сохраняет питательные и сенсорные свойства продуктов. [9] Омический нагрев инактивирует антипитательные факторы, такие как липоксигеназа (LOX), полифенолоксидаза (PPO) и пектиназа, из-за удаления активных металлических групп в ферментах электрическим полем. [13] Подобно другим методам нагрева, омический нагрев вызывает желатинизацию крахмалов, плавление жиров и агглютинацию белков . [11] Водорастворимые питательные вещества сохраняются в суспензионной жидкости, что позволяет не терять питательную ценность, если жидкость потребляется. [15]

Омический нагрев ограничен вязкостью, электропроводностью и отложениями загрязнений. [9] [10] [11] Плотность частиц в суспензионной жидкости может ограничивать степень обработки. Жидкость с более высокой вязкостью обеспечит большую устойчивость к нагреву, позволяя смеси нагреваться быстрее, чем продукты с низкой вязкостью. [11] Электропроводность пищевого продукта является функцией температуры, частоты и состава продукта. [9] [10] [11] Ее можно увеличить, добавив ионные соединения, или уменьшить, добавив неполярные компоненты. [9] Изменения в электропроводности ограничивают омический нагрев, поскольку трудно моделировать тепловой процесс при повышении температуры в многокомпонентных пищевых продуктах. [9] [10]

Потенциальные области применения омического нагрева включают приготовление пищи, размораживание, бланширование , очистку от кожуры, выпаривание, экстракцию, дегидратацию и ферментацию. [11] Они позволяют использовать омический нагрев для пастеризации измельченных пищевых продуктов для горячего розлива, предварительного нагрева продуктов перед консервированием и асептической обработки готовых к употреблению блюд и охлажденных продуктов. [10] Перспективные примеры приведены в Таблице 2, поскольку этот метод обработки пищевых продуктов не был коммерчески одобрен FDA. [10] Поскольку в настоящее время недостаточно данных об электропроводности твердых пищевых продуктов, трудно доказать высокое качество и безопасность разработки процесса для омического нагрева. [16] Кроме того, успешное 12D-сокращение для профилактики C. botulinum еще не подтверждено. [16]

Синтез, восстановление и переработка материалов

Флэш-джоулев нагрев (кратковременный высокотемпературный электротермический нагрев) использовался для синтеза аллотропов углерода , включая графен и алмаз. Нагрев различных твердых углеродных исходных материалов (сажа, уголь, кофейная гуща и т. д.) до температур ~3000 К в течение 10-150 миллисекунд приводит к образованию турбостратных графеновых хлопьев . [17] FJH также использовался для извлечения редкоземельных элементов, используемых в современной электронике, из промышленных отходов . [18] [19] Начиная с фторированного углеродного источника, можно синтезировать фторированный активированный уголь, фторированный наноалмаз , концентрический углерод (углеродная оболочка вокруг наноалмазного ядра) и фторированный флэш-графен. [20] [21]

Галерея

Эффективность нагрева

Тепло не следует путать с внутренней энергией или синонимом тепловой энергии . Хотя они тесно связаны с теплом , они являются различными физическими величинами.

Как технология нагрева, джоулево отопление имеет коэффициент полезного действия 1,0, что означает, что каждый джоуль поставляемой электроэнергии производит один джоуль тепла. Напротив, тепловой насос может иметь коэффициент более 1,0, поскольку он перемещает дополнительную тепловую энергию из окружающей среды к нагреваемому предмету.

Определение эффективности процесса отопления требует определения границ рассматриваемой системы. При отоплении здания общая эффективность отличается при рассмотрении эффекта нагрева на единицу электроэнергии, поставленной на стороне потребителя счетчика, по сравнению с общей эффективностью при учете потерь на электростанции и передаче электроэнергии.

Гидравлический эквивалент

В энергетическом балансе потока подземных вод используется гидравлический эквивалент закона Джоуля: [22]

где:

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Джоуля — Закон Ленца. Архивировано 30 декабря 2014 г. в Wayback Machine . Большая советская энциклопедия , 3-е изд., гл. ред. А. М. Прохоров. Москва: Советская энциклопедия, 1972. Т. 8 ( А. М. Прохоров; и др., ред. (1972). «Закон Джоуля–Ленца». Большая советская энциклопедия (на русском языке). Т. 8. Москва: Советская энциклопедия.)
  2. ^ Ramaswamy, Raghupathy. "Ohmic Heating of Foods". Университет штата Огайо. Архивировано из оригинала 2013-04-08 . Получено 2013-04-22 .
  3. ^ ab Fellows, PJ (2009). Технология обработки пищевых продуктов . MA: Elsevier. стр. 813–844. ISBN 978-0-08-101907-8.
  4. ^ ab Varghese, K. Shiby; Pandey, MC; Radhakrishna, K.; Bawa, AS (октябрь 2014 г.). «Технология, применение и моделирование омического нагрева: обзор». Journal of Food Science and Technology . 51 (10): 2304–2317. doi :10.1007/s13197-012-0710-3. ISSN  0022-1155. PMC 4190208 . PMID  25328171. 
  5. ^ ab "История физики этого месяца: декабрь 1840 г.: реферат Джоуля о преобразовании механической энергии в тепло". aps.org . Американское физическое общество . Получено 16 сентября 2016 г. .
  6. ^ Электроэнергетические системы: концептуальное введение Александры фон Майер, стр. 67, ссылка на Google Books
  7. ^ "Трансформаторные схемы" . Получено 26 июля 2017 г.
  8. ^ abcd Fellows, P. (2017) [2016]. Технология переработки пищевых продуктов: принципы и практика (4-е изд.). Кент: Woodhead Publishing/Elsevier Science. ISBN 9780081019078. OCLC  960758611.
  9. ^ abcdefghijk Омический нагрев в пищевой промышленности . Рамасвами, Хосахалли С. Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. 2014. ISBN 9781420071092. OCLC  872623115.{{cite book}}: CS1 maint: others (link)
  10. ^ abcdefghijklmnopqr Varghese, K. Shiby; Pandey, MC; Radhakrishna, K.; Bawa, AS (октябрь 2014 г.). «Технология, применение и моделирование омического нагрева: обзор». Journal of Food Science and Technology . 51 (10): 2304–2317. doi :10.1007/s13197-012-0710-3. ISSN  0022-1155. PMC 4190208 . PMID  25328171. 
  11. ^ abcdefghijklmnopqrstu vw Fellows, PJ (2017). Технология переработки пищевых продуктов . Woodhead Publishing. С. 831–38. ISBN 978-0-08-101907-8.
  12. ^ abcd Варзакас, Теодорос; Ция, Константина (2015-10-22). Справочник по обработке пищевых продуктов: сохранение пищевых продуктов . Варзакас, Теодорос,, Ция, Константина. Бока-Ратон, Флорида. ISBN 9781498721769. OCLC  924714287.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
  13. ^ abcdefgh Омический нагрев в пищевой промышленности . CRC Press. 2014. С. 93–102. ISBN 978-1-4200-7109-2.
  14. ^ abc Varghese, K. Shiby; Pandey, MC; Radhakrishna, K.; Bawa, AS (2014-10-01). "Технология, применение и моделирование омического нагрева: обзор". Journal of Food Science and Technology . 51 (10): 2304–2317. doi :10.1007/s13197-012-0710-3. ISSN  0022-1155. PMC 4190208 . PMID  25328171. 
  15. ^ Каур, Ранвир; Гул, Халид; Сингх, АК (2016). «Пищевое воздействие омического нагрева на фрукты и овощи. Обзор». Cogent Food & Agriculture . 2 (1). doi : 10.1080/23311932.2016.1159000 .
  16. ^ ab "Кинетика микробной инактивации для альтернативных технологий обработки пищевых продуктов" (PDF) . Управление по контролю за продуктами и лекарствами США . 30 мая 2018 г.
  17. ^ Luong, Duy X.; Bets, Ksenia V.; Algozeeb, Wala Ali; Stanford, Michael G.; Kittrell, Carter; Chen, Weiyin; Salvatierra, Rodrigo V.; Ren, Muqing; McHugh, Emily A.; Advincula, Paul A.; Wang, Zhe (январь 2020 г.). «Gram-scale bottom-up flash graphene synthesis». Nature . 577 (7792): 647–651. Bibcode :2020Natur.577..647L. doi :10.1038/s41586-020-1938-0. ISSN  1476-4687. PMID  31988511. S2CID  210926149.
  18. ^ «Редкоземельные элементы для смартфонов можно извлечь из угольных отходов». New Scientist .
  19. ^ Дэн, Бин; Ван, Синь; Луонг, Дуй Сюань; Картер, Роберт А.; Ван, Чжэ; Томсон, Мейсон Б.; Тур, Джеймс М. (2022). «Редкоземельные элементы из отходов». Science Advances . 8 (6): eabm3132. Bibcode :2022SciA....8M3132D. doi :10.1126/sciadv.abm3132. PMC 8827657 . PMID  35138886. 
  20. ^ Майкл, Ирвинг (22 июня 2021 г.). «Новый метод мгновенно превращает углерод в графен или алмаз». Новый Атлас . Получено 22 июня 2021 г.
  21. ^ Чен, Вэйинь; Ли, Джон Тяньчи; Ван, Чжэ; Альгозиб, Вала А.; Луонг, Дуй Сюань; Киттрелл, Картер; Макхью, Эмили А.; Адвинкула, Пол А.; Вайсс, Кевин М.; Бекхэм, Джейкоб Л.; Стэнфорд, Майкл Г. (2021-07-27). «Сверхбыстрая и контролируемая фазовая эволюция с помощью мгновенного джоулевого нагрева». ACS Nano . 15 (7): 11158–11167. doi :10.1021/acsnano.1c03536. ISSN  1936-0851. OSTI  1798515. PMID  34138536. S2CID  235471710.
  22. ^ RJOosterbaan, J.Boonstra и KVGKRao (1996). Энергетический баланс потока грунтовых вод (PDF) . В: VPSingh и B.Kumar (ред.), Гидрология подземных вод, том 2 Трудов Международной конференции по гидрологии и водным ресурсам, Нью-Дели, Индия. Kluwer Academic Publishers, Дордрехт, Нидерланды. стр. 153–160. ISBN 978-0-7923-3651-8.