10 процесів, які були б неможливі без нагрівання

Давня історія нагрівання

Людині ще на ранніх стадіях еволюції було простіше жити в регіонах з

тропічним і екваторіальним кліматом.Головний фактор, який полегшує життя в таких кліматичних зонах, - температура. Там, де тепло, простіше здобувати собі їжу, легше вирощувати сільськогосподарські культури, та й просто виживати, так як не потрібно будівництво монументальних жител, що захищають від низьких температур і негоди. Навчившись добувати вогонь, людина стала більше приділяти часу і сил приготування їжі, а його ареал проживання істотно розширився. Людські поселення стали з'являтися все північніше, а життя там, незважаючи на більш суворий клімат, ставала більш прийнятною для виживання. Можливість використовувати вогонь дозволила людині не тільки готувати їжу, але і опалювати своє житло, захищати своє тіло під час зимових сезонів або навіть в умовах вічної мерзлоти. Сьогодні тільки в північних регіонах проживають 21 млн росіян.

Одним з факторів, що дозволили людству статипереважаючим видом на Землі, стало розуміння, що тіла, рідини і газ навколо нас можна нагрівати, а тепло дозволяє робити життя комфортніше, повноцінніше і легше. Звичайно, первісна людина не відразу освоїв техніку використання вогню (тим більше не з точки зору спалювання, а саме нагрівання). Перші докази використання людьми вогню для приготування їжі та обігріву були знайдені в Східній Африці: в Чесованьі біля озера Барінго, Кообі-Фора і Ологесаліріе в Кенії.

Так, докази в Чесованьі представляютьсобою осколки червоної глини, вік якої становить 1,42 млн років. Судячи з твердості, вони були нагріті до 400 ° C. У Кенії знайдені свідчення використання вогню Homo erectus з віком приблизно 1,5 млн років, з червоними відкладеннями, які можуть утворитися лише при температурі 200-400 ° C.

Що таке нагрівання?

Нагрівання - це природний або штучнийфізичний процес підвищення температури. Це може відбуватися за рахунок внутрішньої енергії або підведення енергії ззовні. Для останнього використовується нагрівальний елемент. Конструкції можуть бути самими різними: від багаття до ядерного реактора.

Крім відмінностей в джерелах енергії, сам процеснагрівання може відбуватися як зовні, так і зсередини. До останніх прикладів відносяться: тепло, вироблене в ядрі Землі, завдяки енергії, яку переносять потоки магми; розчини під час електролізу або, до речі, сучасні системи нагрівання тютюну. З нагріванням зовні все просто - це класичний вогонь, опалення, СВЧ.

Нагрівання відбувається за рахунок збільшення швидкостіруху або коливань молекул і атомів, з яких складається тіло. У різних тілах цей процес відбувається по-різному. Якщо мова йде про газах, то їх молекули хаотично рухаються з великими швидкостями (це можуть бути сотні метрів в секунду) по всьому об'єму, заповненого газом. Під час свого руху молекули стикаються і відскакують один від одного, змінюючи при цьому швидкість і напрямок руху. У випадку з рідинами молекули в них коливаються близько рівноважних положень, оскільки розташовані дуже близько один до одного, і порівняно рідко можуть перескакувати з одного положення в інше. У твердих тілах частинки коливаються біля положення рівноваги. Нагрівання в усіх перерахованих випадках призводить до того, що швидкість часток збільшується. Тому хаотичний рух частинок прийнято у фізиці називати тепловим. А саме нагрівання тіла залежить від його теплоємності і теплопровідності.

теплоємність - кількість теплоти, що поглинається або виділяється тілом в процесі нагрівання (охолодження) на 1 К (Кельвін).

теплопровідність - здатність тіл проводити теплоту від більшнагрітих частин тіла до менш нагрітих частинах шляхом хаотичного руху частинок (атомів, молекул, електронів). Такий теплообмін може відбуватися в будь-яких тілах з неоднорідним розподілом температур, але механізм перенесення теплоти буде залежати від агрегатного стану речовини.

Нагрівання сьогодні застосовується в самих різнихсферах людського життя: від побутового використання в приготуванні їжі і опалення до наукових експериментів і транспортування. Та й сама природа використовує цей процес: тане лід, змінюється клімат, зростає температура води в Світовому океані, змінюється флора і фауна, утворюються хімічні речовини і породи.

кип'ятіння

Кип'ятіння - найпоширеніший спосіб нагрівуводи, застосовуваний виключно людиною. Мова йде не тільки про приготування їжі, для якого необхідний окріп. Кип'ятіння також дозволяє знищити більшість паразитів, що мешкають у воді, зробити знезараження продуктів, а також очистити речі, предмети від жирових забруднень.

Процес кип'ятіння складається з трьох стадій:на першій в воді з'являються бульбашки повітря, які проскакують з дна ємності, на другий - бульбашки починають стрімко підніматися до поверхні, відбувається помутніння, що нагадує біжучий з джерела воду. На третій стадії починається бурління води, поверхнідосягають великі бульбашки, а вода може розбризкується.

Процес кип'ятіння супроводжується виділенням пара.Крім того, при кип'ятінні осідають колоїдні частинки бруду, а вода пом'якшується, так як в осад випадають солі, а концентрація легколетучих компонентів і вільного хлору зменшується.

Але при тривалому кип'ятінні зростаєконцентрація нелетких речовин. Нагрівання води до стану окропу не може знищити важкі метали, пестициди, гербіциди, нітрати, феноли і нафтопродукти. Є мікроби, здатні вижити в киплячій воді досить тривалий час - хвилини і навіть годинник. Пріони деактивуються навіть при кип'ятінні протягом 18 хвилин при температурі 134 ° C в герметичному паровому автоклаві.

Термічна обробка їжі

Теплова обробка застосовується в кулінарії різнихнародів і культур для великого числа продуктів. Як правило, у такої обробки три мети: розм'якшення, поліпшення смаку або зовнішнього вигляду, а також знезараження, особливо якщо мова йде про м'ясної продукції.

Крім варіння, яка може проходити не тільки зпроцесом кип'ятіння, але і на пару, а також при низькій температурі, до цього ж виду обробки відносять підготовку в вакуумі - су-вид, коли продукти варять у вакуумній упаковці. Крім цього існує спосіб варіння в автоклаві, де приготування відбувається під надлишковим тиском при температурі 110-130 ° C.

Ще один вид термічної обробки - смаження,другий за поширеністю спосіб готування. Продукт прилягає до посуду, поверхня якої змазана тонким шаром гарячого жиру. Якщо мова йде про борошняних виробах і особливої ​​категорії страв, то використовують випікання в варочном шафі або духовці. А м'ясні та рибні продукти часто коптять за допомогою гарячого і холодного диму.

Для підтримки температури перед роздачею або підчас перевезення використовується особливий вид обробки - термостатирование. А для ефектної подачі використовують короткострокове займання готового блюда, це називається фламбирования.

опалення

Про це способі нагрівання повітря знають жителібагатьох країн - без опалення пережити тривалий зимовий сезон практично неможливо. На території Росії середня температура повітря в цей період становить -19,7 ° С. Водяне опалення - це найпопулярніший і дешевий спосіб, але сьогодні є й інші варіанти, що дозволяють обігрівати оселі сучасної людини. Причому в їх завдання входить не тільки обігрів приміщення для відшкодування тепловтрат, а й підтримання температури.

Залежно від переважаючого способутеплопередачі опалення приміщень може бути конвективним і променистим. Під конвективним розуміється вид опалення, при якому тепло поширюється завдяки змішуванню обсягів гарячого і холодного повітря. До недоліків конвективного опалення відноситься великий перепад температур в приміщенні (висока температура повітря нагорі і низька внизу) і неможливість вентиляції приміщення без втрат теплової енергії. Променистий спосіб має на увазі наявність спеціальних приладів, які встановлюються під підлогу або над обігрівається зоною або монтуються прямо в стіни.

За джерела тепла опалення може бути найрізноманітніше: від пічного і парового до рідкопаливного і інфрачервоного.

Системам опалення вже багато сотень років.Першим засобом обігріву вважають багаття. А опалювальним пристроєм - гіпокауст, древній «тепла підлога», який використовували римляни. Нагрівалася поверхню кам'яної підлоги за допомогою газу, який виходив з печей і накопичувався в порожнинах під підлогою.

ядро Землі

Найбільший в світі «обігрівач» знаходиться всамому серці нашої планети - в ядрі Землі. Центральна і найбільш глибока частина планети знаходиться під мантією і, імовірно, складається з залізо-нікелевого сплаву з домішкою інших сідерофільних елементів. Глибина залягання - 2 900 км. Ядро поділяється на тверде внутрішнє ядро ​​радіусом близько 1 300 км і рідке зовнішнє ядро ​​товщиною близько 2 200 км. Температура на поверхні твердого ядра Землі досягає 6 230 ± 500 K (5 960 ± 500 ° C).

Від земного ядра піднімаються колосальнівисхідні теплові потоки магми - плюмами. У поверхні мантії вони розтікаються в сторони, викликаючи дрейф континентів, а охолонувши, опускаються в глибину. Але у ядра є свої джерела нагріву: розпад довгоживучих радіоактивних елементів і тертя між ядром і зовнішніми шарами Землі, обертання яких поступово гальмують припливи. І все ж ядро ​​остигає і від цього поступово кристалізується: діаметр внутрішнього твердого ядра збільшується на кілька сантиметрів в сторіччя.

Нагрівання в хімії

Збільшення температури використовують в хімічнійгалузі для прискорення масообмінних і хімічних процесів, температурні умови протікання яких залежать від теплоносія і способу нагрівання: водяною парою, гарячими рідинами, точковими газами, електричним струмом і випромінюванням.

Самим найбільш частим методом в органічномусинтезі є кип'ятіння і нагрівання. Згідно з правилом Вант Гоффа, при нагріванні на 10 ° С швидкість хімічних реакцій зростає в 2-4 рази. Хімічні реакції в органічній хімії (на відміну від неорганічної) йдуть досить повільно. Тому нагрівання істотно прискорює роботу хіміків.

Але органічні сполуки досить нестабільні і при сильному впливі осмоляется. Тому в ряді випадків реакції проводять не при нагріванні, а при охолодженні.

Водяні лазні застосовують тільки в тих випадках,коли потрібно нагрівання до температури не вище 100 ° С. Пісочні лазні використовуються для обережного впливу до високої температури або для обережного прожарювання. Температура пісочної лазні 200-300 ° С. Нагрівання до високих температур здійснюють в муфельних печах. Прожарювання проводять в тиглях, які зазвичай закривають кришками.

Нагрівання електричним струмом також використовується вхімічної галузі, в першу чергу, для економії коштів. Прямий нагрів води і водних розчинів змінним електричним струмом при електричному напрузі, меншій напруги розкладання рідин, показує, що при малих питомих потужностях генерується теплова енергія перевищує витрачену електричну, що вводиться в рідину, що нагрівається.

індукційний нагрів

Індукційний нагрів - це нагрівання матеріалівелектричними струмами, які індукуються змінним магнітним полем. Таке нагрівання виробів з провідних матеріалів - провідників - відбувається за допомогою магнітного поля індукторів. Система «індуктор-заготовка» являє собою бессердечніковий трансформатор, в якому індуктор є первинною обмоткою. Заготівля є вторинною обмоткою, замкнутої накоротко. А магнітний потік між обмотками замикається по повітрю.

На високій частоті вихрові струми витісняютьсяутворених ними ж магнітним полем в тонкі поверхневі шари заготовки (скін-ефект), в результаті чого їх щільність різко зростає, і заготівля розігрівається. Індуктор і сам сильно нагрівається під час роботи, так як сам поглинає власне випромінювання. До того ж він поглинає теплове випромінювання від розпеченої заготовки. Роблять індуктори з мідних трубок, охолоджуваних водою. Вода подається відсмоктування - цим забезпечується безпека в разі прожога чи іншої розгерметизації індуктора.

Такий спосіб застосовується в самих різних промислових сферах: від надчистої безконтактної плавки до ювелірної справи і знезараження медичних інструментів.

Діелектричний нагрів (СВЧ)

Для нагріву діелектричних матеріаліввикористовується змінне електричне поле або електромагнітна хвиля - мова про популярних СВЧ-печах, або мікрохвильовки. ТВЧ-нагрів (з струмами високої частоти) створюється в конденсаторах, а СВЧ (надвисокочастотне випромінювання) - в хвилеводах і об'ємних резонаторах. При цьому способі нагрівання тіл викликається втратами на дипольні поляризацію діелектриків.

З недоліків такого способу - його неоднорідність. При СВЧ-методі відбувається лише поверхневий нагрів, який залежить від теплопровідності матеріалу.

При використанні електромагнітних НВЧ-хвильнагрів викликається молекулярним дипольним обертанням в діелектрику - типовою дипольної молекулою є молекула води. Метод найбільш широко застосовується для розморожування і нагрівання при приготуванні їжі. Оскільки вода в харчових продуктах містить велику кількість солей, які дисоціюють на іони, службовці носіями електричних зарядів і також реагують на змінне електромагнітне поле, нагрів продуктів обумовлений як переорієнтацією полярних молекул-диполів, так і зміщенням іонів.

нагрівання тютюну

Нагрівання тютюну, а не його горіння сталофундаментальною відмінністю альтернативних бездимних продуктів, які розробляються в науково-дослідному центрі компанії «Філіп Морріс Інтернешнл» (ФМІ). Компанія зробила ставку на проривні технології, науку та інновації. У Центрі працюють більше 430 вчених і інженерів різних спеціальностей, які вже понад 10 років застосовують весь свій досвід і знання в цілях створення майбутнього без сигаретного диму. Компанія проводить поетапну і всебічну наукову оцінку своїх інноваційних бездимних продуктів, засновану на практиках, що застосовуються у фармацевтичній галузі, слідуючи міжнародним стандартам якості, принципам належної лабораторної практики (GLP) та належної клінічної практики (GCP). IQOS пройшов всі стадії ретельної наукової оцінки, включаючи 18 доклінічних і 10 клінічних досліджень, в ході яких було підтверджено, що при використанні IQOS виділяється на 95% менше шкідливих речовин в порівнянні з сигаретами. *

важливо: це не означає зниження ризику на 95%. Використання IQOS не виключає ризики для здоров'я.

* «На 95% менше шкідливих речовин» означає середнє зниження рівнів шкідливих речовин (без урахування нікотину) в аерозолі IQOS в порівнянні з димом еталонної сигарети, використовуваної в дослідженні (3R4F).

У IQOS використовується технологія HeatControl ™,яка влаштована таким чином: керамічний елемент у формі леза нагріває тютюн зсередини до температури, що не перевищує 350 ° С. Такий температурний режим виключає горіння, а значить, не утворюється диму і попелу, немає ризику пропалити одяг, оббивку в салоні автомобіля, меблі або обпалити кого-то.

Унікальність технології полягає в тому, щонагрівання відбувається зсередини, а не зовні, і елемент стикається безпосередньо з тютюном, які не підпалюючи його, а дбайливо нагріваючи. Крім того, завдяки інноваційним технологіям температура нагріву під час роботи пристрою IQOS контролюється і підтримується на необхідному рівні автоматично. Доріжки з золота і платини, нанесені на нагрівальний елемент, разом утворюють термопару, яка вимірює і передає дані про температуру в блок управління, розташованому в тримачі пристрою.

У всіх без виключенням моделях IQOS - відкласичної 2.4 Plus до новітньої і найелегантнішою IQOS 3 DUOS - використовується запатентована технологія розроблена в Швейцарії. При створенні IQOS вченим і технологічним експертам вдалося виключити процес горіння, замінивши його на нагрівання, тому IQOS має низку переваг у порівнянні з продовженням паління сигарет. Сьогодні вже більше 11 мільйонів повнолітніх користувачів по всьому світу зробили свій вибір на користь IQOS *.

* Дані на основі внутрішньої фінансовоїзвітності ФМІ, опитувань повнолітніх користувачів IQOS і аналізу ринку на [жовтень 2020 року]. Враховувалися повнолітні користувачі IQOS, які повністю припинили курити сигарети, і для яких споживання тютюнових стіків ФМІ склало не менше 70% від усього тютюну нагрівається протягом останніх 7 днів на момент опитування.

плазмова обробка

Якщо поєднати теплофізичні іелектрохімічні процеси на поверхні анода, пов'язані з локальним скипанням рідини, то вийде явище, яке називають електролітно-плазмового обробкою. Інша назва - анодний електролітний нагрів.

Вперше явище світіння і нагрівання електродівпомітили відразу кілька вчених в XIX столітті - Артур Венельт, Олександр Вальтер і Георг Симон Ом. Вони довели, що в результаті теплового впливу струму на електрод з порівняно малою поверхнею навколо нього відбувається локальне кипіння розчину з утворенням парового шару і розмиканням електричного кола. Наявна в ланцюзі індуктивність сприяє появі е.р.с. і пробою парогазового шару зі світловими явищами.

Сьогодні цей метод нагріву широко використовуєтьсядля швидкісного зміцнення поверхонь деталей - наприклад, цементації, азотування, борирования, нітроцементації і / або гарту в робочому електроліті. А електролітно-плазмова обробка стали збільшує її поверхневу твердість, зносостійкість, корозійну стійкість.

лазерний нагрів

Лазерна обробка матеріалів використовуєтьсяповсюдно, в тому числі і для отримання нанотрубок з графена. Залежно від інтенсивності і тривалості впливу лазерного випромінювання можна нагрівати матеріал без видимого руйнування, розплавляти його, випаровувати і навіть вимивати продукти руйнування.

Розрахунки показують, що швидкість нагріву прилазерне опромінювання матеріалів дуже висока - до 10-10 ° С / с. За короткий час поверхневі шари встигають нагрітися до високих температур, розплавитися і перегрітися. У перегрітому металі домішки встигають розчинитися.

Лазерний нагрів так само, як і газорозрядних,використовується для концентрації енергії на поверхні графіту. Ця енергія використовується для термічного розпилення графіту. При лазерному розпиленні отримують практично тільки багатошарові нанотрубки - з числом шарів від 4 до 24 і довжиною до 300 нм. При цьому графітовий зразок - мішень, на яку фокусується лазерне випромінювання, - поміщають в піч для додаткового нагріву.

А група фізиків-теоретиків одного з лондонськихколеджів навіть придумала новий метод, який може дозволити лазерів нагрівати певні матеріали до температур сонячного ядра і вище, правда, всього за 20 квадрильйонних секунди.

Людина в своїх технологічних досягненняхзавжди надихався природою: починаючи від застосування вогню для приготування їжі і закінчуючи сучасними атомними реакторами, в основі роботи яких лежать ті ж самі процеси, що й у виробленні тепла з ядра Землі. Уміння нагрівати дозволило людству стати домінуючим видом на планеті, розширити ареал свого проживання навіть на найсуворіші кліматичні зони, прискорити хімічні реакції, створити суперміцні матеріали і, нарешті, зробити життя комфортнішим і більш технологічні.

Чи не виключає ризики.

Партнерський матеріал.

Читайте також:

Через рух плит дно Тихого океану зараз знаходиться глибоко під Китаєм

Нейрони в мозку людини і мережу галактик виявилися схожі

Льодовик «Судного дня» виявився небезпечніше, ніж думали вчені. розповідаємо головне