Termodynamický test ohrevu vody v mikrovlnke
Mikrovlnné rúry sa stali neodmysliteľnou súčasťou modernej kuchyne a to najmä vďaka svojmu efektívnemu spôsobu ohrevu potravín. Mikrovlnná rúra využíva elektromagnetické žiarenie (vlnenie) s frekvenciou 2,45 GHz, čo zodpovedá vlnovej dĺžke približne 12 cm. (tzv. mikrovlny), ktoré rozkmitávajú molekuly vody, tukov a cukrov v jedle. Kmitanie a vzájomné trenie molekúl vytvára teplo priamo vo vnútri potravín, čím sa jedlo zohrieva. Mikrovlny generuje magnetrón a smeruje ich do varného priestoru. Vďaka tomu sa teplo vytvára priamo v jedle, a nie zohrievaním vzduchu alebo nádob tak, ako je to pri tradičnom spôsobe prípravy jedál.
Rozdiel medzi teplotou a teplom
Teplota je stavová fyzikálna veličina, ktorá popisuje, či je teleso „teplé“ alebo „studené“. Meria sa teplomerom napríklad v stupňoch Celzia [°C]. Súvisí s veľkosťou kmitania molekúl. Na telese ktoré má väčšie kmitanie molekúl teda nameriame vyššiu hodnotu teploty.
Teplo je množstvo energie, ktoré sa prenáša medzi dvoma telesami (pri ich rozdielnych teplotách). Jednotkou tepla je Joul [J]. Ak chceme vyjadriť množstvo tepla, musíme ho vyjadriť množstvom dodanej energie. Napríklad aké množstvo paliva alebo elektrickej energie musíme dodať, aby sme teleso ohriali.
Experiment s mikrovlnkou
Keďže mikrovlnka dodáva energiu na ohrev priamo do jedla a dá sa nastaviť aj presný čas ohrevu, zaujímalo ma, ako to súvisí výslednou teplotou, na ktorú sa jedlo ohreje. Pri nastavení správnych parametrov by sa tak dalo jedlo ohriať na presnú teplotu. Na testovanie bola použitá konkrétna mikrovlnná rúra SENCOR SMW5217SL, avšak s malými rozdielmi to bude platiť aj pre ostatné mikrovlnky podobnej konštrukcie.
testovaná mikrovlnná rúra SENCOR SMW5217SL
Elektrický príkon/výkon
Výrobca udáva menovitý príkon (odber) 1280W a výkon mikrovĺn 800W. Skutočný odber bol 1190W, zmeraný pomocou merača Sololight_DT27. Ak sa točil iba tanier s ventilátorom a bolo zapnuté svetlo, ale bez spusteného magnetrónu tak len 21W. Standby režim so zapnutým displejom hodín iba 3W. Z toho sa dá vypočítať cena elektriny.
Množstvo energie za čas
Pri teste bolo použitých 200ml čistej vody v sklenenom pohári. Ohrev začínal studenou vodou z kohútika s teplotou 17°C. Po ohreve trvajúcom 10s stúpla teplota na 23°C, čo je rozdiel 23°C – 17°C = 6°C. Teplotu som meral pomocou laboratórneho ortuťového teplomeru a hodnoty zaokrúhľoval na celé čísla.
Na výpočet spotrebovanej energie použijeme vzťah:
Q = m × c × ΔT
- m je hmotnosť vody (200ml vody ≈ 200g),
- c je tepelná kapacita vody (približne 4,18J·g⁻¹·K⁻¹),
- ΔT je rozdiel teplôt (23°C – 17°C = 6°C).
Dosadením dostaneme:
Q = 200g × 4,18J·g⁻¹·K⁻¹ × 6K = 5016J
Približne teda spotrebujeme 5000 Joulov energie na ohrev 200ml vody zo 17°C na 23°C.
Teoretický prepočet výkonu na zvýšenie teploty:
Výrobcom udávaný výkon 800W znamená energiu 800J za 1 sekundu. Za 10s teda dodáme energiu:
800W × 10s = 8000J
Na výpočet nárastu teploty ΔT použijeme vzťah:
ΔT = Q / (m × c)
• Q = 8000J
• m je hmotnosť vody (200ml ≈ 200g)
• c je tepelná kapacita vody (približne 4,18J·g⁻¹·K⁻¹)
Dosadením získame:
ΔT = 8000J / (200g × 4,18J·g⁻¹·K⁻¹) ≈ 9,6°C
Teplota vody by sa za ideálnych podmienok využitia všetkej energgie mala zvýšiť o približne 9,6°C
Predlžovanie času ohrevu
Postupne som menil celkový čas ohrevu a meral výslednú teplotu. Každý ohrev začínal studenou vodou z kohútika. Použil som viacero identických pohárov aby stihli vychladnúť medzi jednotlivými meraniami. Teplota vody bola teda na začiatku vždy 17°C a čas znamená ohrev od začiatku až do konca nastavenej doby. Namerané údaje som zobrazil do grafu a preložil lineárnou krivkou. Sklon (smernica) krivky udáva závislosť, že každých 10s sa zvýši teplota o približne 6°C (platí pre 200ml vody a nastavení plného 100% výkonu).
Ohriatie 200ml vody v mikrovlnke na konkrétu teplotu v závislosti od nastaveného času.
Zmena objemu vody
Vyššie uvedený graf ohrevu platil pre 200ml vody. Už sme si však povedali, že magnetrón smeruje energiu do ohrevu vody a tej je vždy určité množstvo. Analogicky, teda rovnaké množstvo energie, ktoré sa však koncertuje do oveľa menšieho množstva vody, sa prejaví ohrevom na oveľa vyššiu teplotu (za rovnaký čas).
V ďalšom teste som teda ohrieval rozdielne množstvá vody, za rovnaký čas 20s.
Množstvo vody súvisí s jej hmotnosťou a objemom. Rovnaký čas ohrevu zasa súvisí s dodaním rovnakého množstva energie.
Teplota vody ohriatej v mikrovlnke v závislosti od ohrievaného objemu za rovnaký čas 20s.
Pri zmene hmotnosti ale zachovaní rovnakého množstva energie tak dostávame nepriamo úmernú závislosť. Teoreticky pri veľmi veľkom objeme vody by rovnaké množstvo energie neohrialo vodu ani o 1°C. Naopak pri malom objeme vody, stúpne jej teplota na vysokú hodnotu. V skutočnosti však extrémnym znižovaním objemu vody klesá aj plocha, ktorú mirkovlny ožarujú.
Vplyv výkonu
Graf nižšie zobrazuje vplyv nastavenia rôzneho výkonu na dosiahnutú teplotu. Ohrievalo sa vždy 200ml vody po rovnakú dobu 120s. Jediné čo sa menilo bol nastavený výkon. Výkon 0% zodpovedá počiatočnej teplote bez ohrevu. Pri nastavení vyššieho výkonu dosiahneme vyššiu teplotu ohriatia vody.
Teplota vody ohriavej v mikrovlnke v závislosti od nastaveného výkonu.
Pulzná zmena výkonu
Mikrovlnná rúra umožňuje zmenu výkonu ohrevu. Nejde však o zmenu výkonu v pravom slova zmysle. V pravidelných intervaloch sa zapína a vypína magnetrón (teda zdroj mikrovĺn). Ak nastavíme napríklad 50% výkonu, mikrovlnka magnetrón určité sekundy zapína a ďalšie sekundy vypína, čím sa priemerne dodá len polovičný výkon (magnetrón je zapnutý len polovicu nastaveného času). Cieľom je počkať kým sa teplo v potravinách rovnomerne rozptýli do celého objemu a celý objem má potom približne rovnakú teplotu v každom mieste (teda teplo z teplejších častí prechádza vedením do chladnejších častí). Opakované zapínanie vypínanie magnetrónu však môže viesť k zníženiu životnosti alebo skoršej poruche mikrovlnky.
Nižšie sú grafy priebehu výkonu v čase. Meral som zmenu príkonu v čase aby so identifikoval začiatok a koniec spínania magnetrónu. Inak sa to dá identifikovať aj podľa zvuku, pri vypnutí magnetrónu mikrovlnka vydáva znateľne menej hluku. Ide teda o pulzný priebeh. Súčet časov jednotlivých pulzov by mal zodpovedať určitému percentu z plného výkonu.
Nastavený výkon 20% má dĺžku pulzu 6s.
Nastavený výkon 40% má dĺžku pulzu 14s.
Nastavený výkon 60% má dĺžku pulzu 20s.
Nastavený výkon 80% má dĺžku pulzu 26s.
Nastevaný výkon 100% ide bez prerušenia.
Pri plnom 100% výkone je magnetrón zapnutý plných 120 sekúnd. Pri 20% výkone je časová šírka jedného pulzu 6s, pričom sa opakuje 4 krát, takže súčet časov je 6x4=24s čo tvorí 20% z celkového času plného výkonu. Čas začiatkov a koncov pulzov som zaokrúhľoval a zapisoval na celé sekundy podľa stopiek, takže skutočné hodnoty sa môžu trochu líšiť. Taktiež treba brať do úvahy, že rozostup medzi pulzami je pravdepodobne pevne daný ale po uplynutí nastaveného času ohrevu sa mirkovlnka zastaví aj s nedokončeným intervalom posledného pulzu.
Záver
Tak toto bol vyčerpávajúci test, ktorý mal robiť výrobca. Teda určite to pri navrhovaní mikrovlnky testoval, ale do návodu to neuviedol. Pravdepodobne preto, že bežný človek by sa v tom aj tak nevyznal. Záverom asi toľko, že ak máme rovnaký objem, konkrétneho jedla s konkrétnou počiatočnou teplotou (napríklad šálku mlieka z chladničky), vieme nastavením konkrétneho času dosiahnuť ohrev na presnú teplotu, tak aby nebol nápoj ani studený ani horúci. V skutočnosti sa však typ potravín, ich objem aj ich počiatočná teplota menia a nám nezostáva nič iné, len skúšať teplotu medzi krátkymi ohrevmi prstom.
Kam ďalej?
Termografia - termofotky, galéria