Для чего нужно нагревание в химии

НАГРЕВАНИЕ (1 2)

Нагревание можно проводить: непосредственно голым пламенем; через асбестированную сетку; на бане; электронагревательными приборами.

Голым пламенем пользуются большей частью при прокаливании шамотных, фарфоровых, платиновых, никелевых, железных и других металлических тиглей и кварцевой посуды.

Нагревать голым пламенем химическую посуду, например колбы, стаканы и т. д., не рекомендуется, так как посуда при этом может лопнуть. При нагревании химической посуды в большинстве случаев пользуются асбе-стированными сетками (рис. 208) или куском листового асбеста. Сетку кладут на треногу или на кольцо штатива, на нее ставят сосуд и снизу подставляют горелку. Пламя горелки не касается непосредственно сосуда, и нагревание идет через асбест, чем достигается большая равномерность обогрева.

Однако на сетке довольно трудно вести нагревание при какой-либо определенной температуре. Для этого применяют разного рода бани, из них наиболее употребительными являются: водяные, паровые, солевые, воздушные, песочные, масляные, глицериновые, парафиновые, трикрезилфосфатные, из легкоплавких металлов и сплавов.

Водяные бани (рис. 209). Водяные бани применяют только в тех случаях, когда требуется нагревание не выше 100°С, Бани закрываются сверху рядом концентрических, налегающих одно на другое колец.

Кроме одпогнездных водяных бань, в лабораториях применяют также и многогнездные, одна из которых показана на рис. 210.

Рис. 208. Асбестированная сетка.

Нагревание на водяной бане можно проводить двумя способами: обогреваемую посуду погружают в кипящую воду, в этом случае температура нагрева достигает 100° С; обогреваемая посуда не касается воды и нагревается только водяным паром, — температура нагрева на несколько градусов ниже 100° С.

Рис. 210. Трехгнездная водяная баня с газовым обогревом.

В баню наливают воду так, чтобы до краев оставалось 2—3 см. Нагреваемый сосуд помещают на кольцо такого диаметра, чтобы своей нижней частью он находился на 1,5—2 см внутри бани.

Если нагревают стакан, то его надо ставить так, чтобы он не проваливался, т. е, внутренний диаметр кольца должен быть меньше диаметра дна стакана.

Воду в бане нагревают до кипения и поддерживают в таком состоянии во все время нагревания.

При работе с водяной баней нужно заботиться о том, чтобы в ней всегда была вода. Часто случается, что по недосмотру работающего вся вода из бани выкипит, в результате чего могут произойти неприятные последствия (порча бани, порча нагреваемого вещества). Поэтому в лабораторной практике лучше всего пользоваться 6ai нями с автоматическим питанием водой (рис. 209,а).’ В нижней части такой бани имеется отросток, к которому присоединено сифонное устройство для автомати-

Рис. 211. Схема сифона для поддержания постоянного уровня воды: 1 — трубка, присоединяемая к водо-проиодному крану; 2-сливная трубка для удаления избытка воды; S-трубка, соединяющая сифонное устройство с водяной баней.

ческого поддержания уровня воды. Сифонные устройства бывают различной конструкции. Одна из конструкций сифонного устройства для автоматического питания бани водой показана на рис. 211. Вода в баню поступает через трубку /, соединенную с источником воды (водопроводный кран, бутыль с водой). Излишки воды вытекают через сливной патрубок 2, на который надевают резиновую трубку, отведенную в раковину. Ток воды через трубку / устанавливают очень медленный.

Можно также устроить автоматическое питание бани водой по схеме, изображенной па рис. 212. Баня 5 соединяется через сифонное устройство 4 резиновой трубкой с сосудом 3. Вода в этом сосуде должна находиться на одном уровне с водой в бане. Этот сосуд при помощи коленчатой трубки 2 соединен с сосудом 1. Трубка 2 опущена в сосуд 3 на 1—1,5 см. Когда уровень воды в бане 5 и в сосуде 3 понизится так, что конец трубки 2 будет находиться над уровнем жидкости, из сосуда / выльется такое количество воды, которое снова создаст прежний уровень.

Еще менее сложное приспособление для автоматического питания водой приведено на рис. 213; оно состоит из колбы или бутыли 1 емкостью в несколько литров, укрепленной в штативе горлышком вниз. Через пробку проходит уравнительная трубка 2, нижний конец которой опущен в патрубок 3 так, чтобы он был в воде не более чем на 1 см. По мере убывания воды в бане 4 нижний конец уравнительной трубки 2 окажется над уровнем жидкости, в результате чего из бутыли / выльется такое количество воды, что в патрубке 3 установится начальный уровень жидкости.

Для обогревания небольших пробирок в качестве водяной бани рекомендуется использовать химические стаканы небольшой емкости. Предложено много способов крепления пробирок в подобных случаях. Удобно применять приспособление (рис. 214), которое легко может изготопкть каждый работающий в лаборатории. В центре корковой пробки подходящего размера (по стакану) укрепляют держалку из проволоки. В пробке просверливают 3—4 или больше отверстий, диаметр которых на 1 мм больше диаметра пробирок. Пробирку с веществом, подлежащим обогреву, вставляют в отверг стис пробки и помещают последнюю в стакан с горячей водой.

Если в лаборатории имеется подводка пара, то им очень удобно пользоваться для обогрева водяных бань, особенно групповых, имеющих много гнезд. Приспособить водяную баню для обогрева паром может любая механическая мастерская. Устройство водяной бани с паровым обогревом напоминает паровую баню (см, ниже).

Источник

НАГРЕВАНИЕ (1 2)

нагревания пробирок.

Если приходится нагревать огнеопасные вещества (эфир, спирт, ацетон, бензол и др.), то в этих случаях вначале нагревают баню, затем горелку гасят и нагреваемый сосуд с огнеопасным веществом погружают в воду. При выпаривании эфира воду нужно нагревать не выше 60—700C и сосуд с эфиром погружать так, чтобы уровень эфира в сосуде был на одном уровне с водой в бане. Этого же правила нужно придерживаться при нагревании и других огнеопасных веществ.

Паровые бани. Для нагревания при температурах около 100° С иногда применяют паровые бани. Обычно паровая баня (рис. 215) представляет собой воронкообразный сосуд, снабженный трубкой для подводки водяного пара и коленом для стока конденсата; это колено одновременно является гидравлическим затвором, препятствующим выходу пара.

Под колено паровой бани нужно ставить какую-нибудь посуду, в которую будет стекать конденсат. Перед пуском пара рекомендуется в колено палить воды.

Колбу, которая должна обогреваться паром, укрепляют на паровой бане таким образом, чтобы из нее выглядывало только горлышко сосуда. Паровую баню закрывают круглым, куском жести с круглым вырезом в центре и разрезом по радиусу, позволяющим надевать вту крышку на горло колбы. Работающую баню помещают в вытяжной шкаф. Пар для обогрева можно или брать из общего паропровода, если он имеется в лаборатории, или же получать его в паровичке.

Очень удобны электрические паровые бани. Одна из них, трехгнездная, показана на рис. 216.

Солевые бани. Для нагревания до температуры выше 1000C можно пользоваться солевыми банями, в которых теплоносителями служат растворы солей. Как известно, температура кипения растворов солей зависит от их концентрации. Это дает возможность пользоваться различными степенями нагревания, применяя растворы солей различной концентрации.

Солевой раствор можно поместить в обычную водяную баню, при необходимости ее оборудуют приспособлениями для поддержания постоянного уровня жидкости и постоянной температуры.

Воздушные бани. В качестве воздушных бань обычно используют так называемые воронки Б а б о (рнс. 217). Эти воронки сделаны из черной жестн и не имеют трубки. На некотором расстоянии от нижнего отверстия и от стенок воронки находится железный кружок, на который наложен слой асбеста. Внутри воронки на стенках по образующим проложено несколько (в зависимости от размера воронки) ребер из асбеста. По верхнему широкому краю имеется ряд отверстий. Воронку укрепляют на треноге или кольце. Если в нее поместить какой-либо сосуд, например колбу, то стенки его не будут касаться воронки. Подставляя снизу горелку, нагревают нижний кружок, не соприкасающийся с сосудом. Нагретый воздух поступает в воронку через отверстия между кружком и-стенкой воронки.

Иногда воронку Бабо предварительно помещают в металлический цилиндр такого диаметра, чтобы воронка держалась в нем (рис. 218). В стенке около дна металлического цилиндра делают отверстия, а сверху, на уровне воронки Бабо, вставляют слюдяные окошечки для наблюдений. Под воронку ставят горелку.

Воздушную баню нагревают так же, как и воронки Бабо.

При аналитических работах иногда необходимо провести осторожное выпаривание, например серной кислоты, но так, чтобы она не кипела и не разбрызгивалась. Для этой цели удобно простое приспособление (рис. 220), являющееся одной из разновидностей воздушных бань и применяющееся во многих лабораториях.

Стальной или никелевый стакан 1 конической формы вставляют • в стальную круглую пластинку 3, имеющую в центре соответствующий вырез. В стакан вставляют фарфоровый треугольник 2 на платиновой проволоке или1 целиком из платины. На этот треугольник помещают тигель или чашку. Обогрев приспособления осуществляется таким же путем, как и других воздушных бань.

Песочные бани. Для осторожного нагревания до высокой температуры или для осторожного прокаливания довольно часто пользуются песочными банями (рис.221). Для этого берут по возможности чистый мелкий песок и помещают его на сковородку или в стальную чашку, насыпая так, чтобы получилась пирамидка. В середину сосуда с песком ставят подлежащий обогреву сосуд

(колбу, тигель и т. д.), который должен быть погружен в песок так, чтобы он не касался дна сковороды или чашки. Рядом в песок помещают термометр. Свежий песок перед употреблением должен быть хорошо прокален (в вытяжном шкафу), чтобы сгорели все органические примеси, которые часто в нем имеются.

Однако лучше делать так: в центр песочной бани насыпать вначале столько песка, чтобы можно было только поставить сосуд, подлежащий нагреванию, а затем насыпать остальной песок до нужного уровня. Наиболее удобная форма песочной бани — полушаровидная.

Рис. 219. Воздушная баня из жестяной банки.

Рис. 220. Приспособление для выпаривания: 1 — никелевый стакан; 2 — треугольник; а —пластинка.

Рис. 221. Схема устройства песочной бани.

Иногда вместо песка применяют стальные стружки. Недостатком такой бани является сравнительно быстрое остывание.

Масляные бани. Для наполнения масляных бань, очень распространенных в исследовательских лабораториях, пользуются высококипящими минеральными маслами, получаемыми из нефти, например цилиндровым, компрессорным и т. д. Масло наливают в чугунные цилиндрические бани или же в эмалированные кастрюли. Нагреваемый сосуд помещают в баню таким образом, чтобы уровень вещества в сосуде был на одном уровне с маслом.

В масло погружают специальный термометр, на котором красными цифрами или красной чертой обозначена максимальная температура, выше которой нагревать опасно. Термометр подвешивают на гибкой проволоке к лапке, укрепленной на штативе.

При высокой температуре масла начинают частично разлагаться с образованием дурно пахнущих и вызывающих головную боль продуктов, поэтому нагреваемая масляная баня должна находиться в вытяжном шкафу.

О возможности применения тех или иных минеральных масел для масляных бань можно судить по табл. 5.

Таблица 5 Минеральные масла, применяемые для масляных бань

Иногда при продолжительном нагревании до высокой температуры масло в бане вспыхивает. Вспыхнувшее масло можно погасить, быстро накрыв баню листом асбеста. Ни воду, ни песок для тушения воспламенившее гося масла употреблять нельзя.

При работе с масляной баней всегда должен быть наготове кусок листового асбеста, достаточный для того, чтобы им можно было накрыть баню. Полезно подготовить два одинаковых куска листового асбеста, каждый из которых имеет в середине у одного края по одинаковому вырезу, чтобы в них помещался корпус прибора, погруженного в масло. В случае воспламенения масляной бани, когда в ней находится прибор, обе половинки накладывают с обеих сторон прибора так, чтобы они находили одна на другую.

Воспламенившееся масло можно также погасить, добавив в сосуд с горящим маслом достаточную порцию холодного масла. Поэтому полезно иметь наготове некоторый запас холодного масла.

Глицериновые бани. Значительно удобнее масляных бань глицериновые. Глицерин — густая, вязкая жидкость с температурой кипения выше 25O0C На глицериновой бане очень удобно вести обогрев до температуры не выше 200° С Баня обладает тем недостатком, что при перегревании возможно разложение глицерина с образованием акролеина, вызывающего слезотечение и кашель. Поэтому обогрев такой бани следует вести через асбест, но не на голом огне.

Парафиновые бани. Иногда вместо масляных бань используют парафиновые, для наполнения которых применяют парафин. Все сказанное о масляных банях относится и к парафиновым.

Масляная, глицериновая и парафиновая бани не обладают, подобно кипящей водяной, постоянной температурой, и поэтому при работе с ними необходимо все время следить за температурой.

В начале работы баню нагревают на довольно большом пламени горелки до температуры на 20—25° С ниже требуемой; после этого уменьшают пламя и осторожно доводят температуру бани до заданной. В дальнейшем температуру бани регулируют величиной пламени горелки. Если произошел перегрев, чего в работе следует избегать, то нужно или отставить горелку, или сильно уменьшить ее пламя.

Трикрезилфосфатные бани. В качестве теплоносителя очень удобен трикрезилфосфат, более устойчивый при нагревании, чем глицерин или парафин.

Трикрезилфосфат совершенно безопасен в пожарном отношении и может быть нагрет не менее чем до 25O 0C без заметного изменения цвета и свойств.

Силиконовые бани. Нагревание до температуры порядка 400° С достигается при использовании в качестве теплоносителей силиконов, т. е. кремнийорганических соединений. Наша промышленность выпускает несколько марок силиконовых масел, пригодных в качестве теплоносителей.

Бани из легкоплавких металлов и сплавов применяются в тех случаях, когда требуется очень постоянная температура нагрева. По форме и устройству они не отличаются от других бань; главное их преимущество состоит в том, что они совершенно не воспламеняются.

В качестве теплоносителя в таких банях применяют свинец, олово, висмут, сплавы этих металлов или специальяые легкоплавкие сплавы. Часто применяют сплав Вуда, имеющий темп. пл. 65,5° С. Этот сплав (см.гл. 26) можно нагревать до 2500C и только не надолго — до 300° С.

Сплав Розе (темп. пл.

940C) применяют для нагревания до температуры, указанной для сплава Вуда.

Часто применяют технический свинец (темп. пл. 3GO0C). Чистый свинец (темп. пл. 3270C) можно использовать для нагревания в пределах от 350 до 800° С. Со всеми этими сплавами и металлами следует работать под тягой, так как при нагревании металлы, особенно свинец, испаряются, пары же свинца ядовиты.

Металлы расплавляют в стальной чаше, лучше полушаровидной формы.

Эвтектические смеси. Кроме растворов солей для нагревания выше 3000C очень удобно применять смеси сухих солей, расплавляющихся при сравнительно низкой температуре и образующих расплав, выдерживающий температуру до 500° С. К таким смесям относится экви-молярная смесь, азотнокислого натрия (48,7%) и азотнокислого калия (51,3%). Эта смесь имеет темп. пл. 2190C и применяется для нагревания от 230 до 500° С. Используют также смесь азотистокислого натрия (40%), азотнокислого натрия (7%) и азотнокислого калия (53%); темп, пл. смеси 1420C Такая смесь пригодна для нагревания от 150 до 5000C Однако при нагревании до высоких температур азотистокислый натрий постепенно окисляется.

Из органических соединений для приготовления эвтектических смесей применяют дифениловый эфир и дифенил. Эта смесь известна под названием даутерм А и имеет низкую точку плавления (120C).

Бани с постоянной температурой. Для поддержания при нагревании строго определенной температуры нагревание удобно вести в парах какого-либо вещества, кипящего при данной температуре. Для этой цели служат бани с постоянной температурой (рис. 222). Горло ши-рокогорлой колбы закрывают пробкой с двумя отверстиями: через одно пропускают стеклянную трубку так, чтобы она поднималась над пробкой на 30—50 см; во втором отверстии укрепляют пробирку или другой маленький сосуд, в котором находится реакционная смесь. На дно колбы налипают небольшое количество выбранной жидкости и нагревают ее до кипения. Образующиеся

пары обогревают сосуд. Стеклянная трубка служит воздушным холодильником, где пары жидкости конденсируются и в виде капель стекают обратно. Преимущество такого способа заключается в том, что при нем устраняется всякая опасность перегрева.

Существуют специальные приборы для нагревания парами жидкостей. На рис. 223 показан один из таких приборов. В колбу 1 емкостью 50 мл или больше наливают жидкость с соответствующей температурой кипения. В колбе находится кипятильная палочка 2. В горло колбы на шлифе вставлена открытая с обоих концов трубка 4 с отводом для укрепления обратного холодильника. Внутрь этой трубки, на шлифе, вставлена трубка 3, в которую помещают вещество, подлежащее нагреванию при определенной температуре. Верхний конец

этой трубки при необходимости может быть присоединен к обратному холодильнику. Пары выбранного для обогрева вещества омывают пробирку 3 и через отвод трубки 4 поступают в холодильник, конденсируются в нем и стекают обратно в колбу 1. Все части прибора соединяются между собой шлифами.

Нагревание парами жидкостей можно применять для быстрого высушивания осадков. Для этой цели удобно использовать прибор, изображенный на рис. 224. Колбу заполняют не больше чем на 2/з жидкостью с определенной температурой кипения. При кипении жидкости пары обмывают внутренний сосуд стеклянного двухстстшого прибора, создавая внутри него постоянную температуру, и поступают в холодильник. Сконденсированная жидкость снова стекает в колбу. Если применять пальчиковый холодильник достаточной высоты, прибор может работать почти без потерь обогревающей жидкости и не требует постоянного наблюдения.

Криптоловые бани. Иногда в банях с электрообогревом применяют криптол. Криптол — угольная крошка с определенным диаметром зерен. Для изготовления криптола наиболее пригодны размельченные угольные электроды. Криптоловые бани, как и криптоловые печи, дают возможность достигать очень большой температуры—до 2000 0C

Таблица. Температура кипения веществ, которые могут быть использованы в банях с постоянной температурой

Температура, до которой нужно нагревать, 0C

Источник

10 процессов, которые были бы невозможны без нагревания

Многие физические и химические процессы были бы просто невозможны, если бы человек несколько тысяч лет назад не понял, что можно нагревать предметы, вещества и воздух. С появлением огня расширился ареал обитания, люди стали появляться на северных территориях, а способность готовить и отапливать помещения сделали жизнь лучше и комфортнее. Сегодня процесс используется в быту, промышленности и развлечениях. Человек берет за основу те биохимические и геологические процессы, которые связаны с нагреванием, и создает инновационные технологии в электронике, промышленности и быту. Совместно c брендом IQOS сделали подборку технологий и процессов, которые невозможны без принципа нагревания и контроля температуры.

Читайте «Хайтек» в

Древняя история нагревания

Человеку еще на ранних стадиях эволюции было проще жить в регионах с тропическим и экваториальным климатом. Главный фактор, облегчающий жизнь в таких климатических зонах, — температура. Там, где тепло, проще добывать себе пищу, легче выращивать сельскохозяйственные культуры, да и просто выживать, так как не требуется строительство монументальных жилищ, защищающих от низких температур и непогоды. Научившись добывать огонь, человек стал больше уделять времени и сил приготовлению пищи, а его ареал обитания существенно расширился. Человеческие поселения стали появляться все севернее, а жизнь там, несмотря на более суровый климат, становилась более приемлемой для выживания. Возможность использовать огонь позволила человеку не только готовить пищу, но и отапливать свое жилище, защищать свое тело во время зимних сезонов или даже в условиях вечной мерзлоты. Сегодня только в северных регионах проживают 21 млн россиян.

Одним из факторов, позволивших человечеству стать превалирующим видом на Земле, стало понимание, что тела, жидкости и газ вокруг нас можно нагревать, а тепло позволяет делать жизнь комфортнее, полноценнее и легче. Конечно, первобытный человек не сразу освоил технику использования огня (тем более не с точки зрения сжигания, а именно нагревания). Первые доказательства использования людьми огня для приготовления пищи и обогрева были найдены в Восточной Африке: в Чесованьи возле озера Баринго, Кооби-Фора и Ологесалирие в Кении.

Так, доказательства в Чесованьи представляют собой осколки красной глины, возраст которой составляет 1,42 млн лет. Судя по твердости, они были нагреты до 400°C. В Кении найдены свидетельства использования огня Homo erectus с возрастом примерно 1,5 млн лет, с красными отложениями, которые могут образоваться лишь при температуре 200–400 °C.

Что такое нагревание?

Нагревание — это естественный или искусственный физический процесс повышения температуры. Это может происходить за счет внутренней энергии или подведения энергии извне. Для последнего используется нагревательный элемент. Конструкции могут быть самыми разными: от костра до ядерного реактора.

Помимо различий в источниках энергии, сам процесс нагревания может происходить как снаружи, так и изнутри. К последним примерам относятся: тепло, вырабатываемое в ядре Земли, благодаря энергии, которую переносят потоки магмы; растворы во время электролиза или, к слову, современные системы нагревания табака. С нагреванием снаружи все просто — это классический огонь, отопление, СВЧ.

Нагревание происходит за счет увеличения скорости движения или колебаний молекул и атомов, из которых состоит тело. В разных телах этот процесс происходит по-разному. Если речь идет о газах, то их молекулы хаотично движутся с большими скоростями (это могут быть сотни метров в секунду) по всему объему, заполненному газом. Во время своего движения молекулы сталкиваются и отскакивают друг от друга, меняя при этом скорость и направление движения. В случае с жидкостями молекулы в них колеблются около равновесных положений, поскольку расположены очень близко друг к другу, и сравнительно редко могут перескакивать из одного положения в другое. В твердых телах частицы колеблются около положения равновесия. Нагревание во всех перечисленных случаях приводит к тому, что скорость частиц увеличивается. Поэтому хаотичное движение частиц принято в физике называть тепловым. А само нагревание тела зависит от его теплоемкости и теплопроводности.

Теплоемкость — количество теплоты, поглощаемой или выделяемой телом в процессе нагревания (остывания) на 1 К (Кельвин).

Теплопроводность — способность тел проводить теплоту от более нагретых частей тела к менее нагретым частям путем хаотического движения частиц (атомов, молекул, электронов). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.

Нагревание сегодня применяется в самых различных областях человеческой жизни: от бытового использования в приготовлении пищи и отопления до научных экспериментов и транспортировки. Да и сама природа использует этот процесс: тает лед, изменяется климат, растет температура воды в Мировом океане, меняется флора и фауна, образуются химические вещества и породы.

Кипячение

Кипячение — самый распространенный способ нагрева воды, применяемый исключительно человеком. Речь идет не только о приготовлении еды, для которого необходим кипяток. Кипячение также позволяет уничтожить большинство паразитов, обитающих в воде, произвести обеззараживание продуктов, а также очистить вещи, предметы от жировых загрязнений.

Процесс кипячения состоит из трех стадий: на первой в воде появляются пузырьки воздуха, которые проскакивают со дна емкости, на второй — пузырьки начинают стремительно подниматься к поверхности, происходит помутнение, напоминающее бегущую из родника воду. На третьей стадии начинается бурление воды, поверхности достигают большие пузыри, а вода может разбрызгиваться.

Процесс кипячения сопровождается выделением пара. Кроме того, при кипячении оседают коллоидные частицы грязи, а вода смягчается, так как в осадок выпадают соли, а концентрация легколетучих компонентов и свободного хлора уменьшается.

Но при длительном кипячении возрастает концентрация нелетучих веществ. Нагрев воды до состояния кипятка не может уничтожить тяжёлые металлы, пестициды, гербициды, нитраты, фенолы и нефтепродукты. Есть микробы, способные выжить в кипящей воде довольно длительное время — минуты и даже часы. Прионы не деактивируются даже при кипячении в течение 18 минут при температуре 134°C в герметичном паровом автоклаве.

Термическая обработка пищи

Тепловая обработка применяется в кулинарии разных народов и культур для большого числа продуктов. Как правило, у такой обработки три цели: размягчение, улучшение вкуса или внешнего вида, а также обеззараживание, особенно если речь идет о мясной продукции.

Кроме варки, которая может проходить не только с процессом кипячения, но и на пару, а также при пониженной температуре, к этому же виду обработки относят готовку в вакууме — су-вид, когда продукты варят в вакуумной упаковке. Помимо этого существует способ варки в автоклаве, где готовка происходит под избыточным давлением при температуре 110–130°C.

Еще один вид термической обработки — жаренье, второй по распространенности способ готовки. Продукт прилегает к посуде, поверхность которой смазана тонким слоем горячего жира. Если речь идет о мучных изделиях и особой категории блюд, то используют выпекание в варочном шкафу или духовке. А мясные и рыбные продукты часто коптят с помощью горячего и холодного дыма.

Для поддержания температуры перед раздачей или во время перевозки используется особый вид обработки — термостатирование. А для эффектной подачи используют краткосрочное воспламенение готового блюда, это называется фламбированием.

Отопление

Об этом способе нагревания воздуха знают жители многих стран — без отопления пережить продолжительный зимний сезон практически невозможно. На территории России средняя температура воздуха в этот период составляет −19,7°С. Водяное отопление — это самый популярный и дешевый способ, но сегодня есть и другие варианты, позволяющие обогревать жилище современного человека. Причем в их задачу входит не только обогрев помещения для возмещения теплопотерь, но и поддержание температуры.

В зависимости от преобладающего способа теплопередачи отопление помещений может быть конвективным и лучистым. Под конвективным понимается вид отопления, при котором тепло распространяется благодаря перемешиванию объемов горячего и холодного воздуха. К недостаткам конвективного отопления относится большой перепад температур в помещении (высокая температура воздуха наверху и низкая внизу) и невозможность вентиляции помещения без потерь тепловой энергии. Лучистый способ подразумевает наличие специальных приборов, которые устанавливаются под пол или над обогреваемой зоной либо монтируются прямо в стены.

По источнику тепла отопление может быть самое разнообразное: от печного и парового до жидкотопливного и инфракрасного.

Системам отопления уже много сотен лет. Первым средством обогрева считают костер. А отопительным устройством — гипокауст, древний «теплый пол», который использовали римляне. Нагревалась поверхность каменного пола с помощью газа, который выходил из печей и скапливался в полостях под полом.

Ядро Земли

Самый крупный в мире «обогреватель» находится в самом сердце нашей планеты — в ядре Земли. Центральная и наиболее глубокая часть планеты находится под мантией и, предположительно, состоит из железо-никелевого сплава с примесью других сидерофильных элементов. Глубина залегания — 2 900 км. Ядро разделяется на твердое внутреннее ядро радиусом около 1 300 км и жидкое внешнее ядро толщиной около 2 200 км. Температура на поверхности твердого ядра Земли достигает 6 230 ± 500 K (5 960 ± 500 °C).

От земного ядра поднимаются колоссальные восходящие тепловые потоки магмы — плюмы. У поверхности мантии они растекаются в стороны, вызывая дрейф континентов, а остыв, опускаются в глубину. Но у ядра есть свои источники нагрева: распад долгоживущих радиоактивных элементов и трение между ядром и внешними слоями Земли, вращение которых постепенно тормозят приливы. И все же ядро остывает и от этого постепенно кристаллизуется: диаметр внутреннего твердого ядра увеличивается на несколько сантиметров в столетие.

Нагревание в химии

Увеличение температуры используют в химической отрасли для ускорения массообменных и химических процессов, температурные условия протекания которых зависят от теплоносителя и способа нагрева: водяным паром, горячими жидкостями, точечными газами, электрическим током и излучением.

Самым наиболее частым методом в органическом синтезе является кипячение и нагревание. Согласно правилу Вант Гоффа, при нагревании на 10°С скорость химических реакций возрастает в 2–4 раза. Химические реакции в органической химии (в отличие от неорганической) идут довольно медленно. Поэтому нагревание существенно ускоряет работу химиков.

Но органические соединения довольно не стабильны и при сильном воздействии осмоляются. Поэтому в ряде случаев реакции проводят не при нагревании, а при охлаждении.

Водяные бани применяют только в тех случаях, когда требуется нагревание до температуры не выше 100°С. Песочные бани используются для осторожного воздействия до высокой температуры или для осторожного прокаливания. Температура песочной бани 200–300°С. Нагревание до высоких температур осуществляют в муфельных печах. Прокаливание проводят в тиглях, которые обычно закрывают крышками.

Нагрев электрическим током также используется в химической отрасли, в первую очередь, для экономии средств. Прямой нагрев воды и водных растворов переменным электрическим током при электрическом напряжении, меньшем напряжения разложения жидкостей, показывает, что при малых удельных мощностях генерируемая тепловая энергия превышает затраченную электрическую, вводимую в нагреваемую жидкость.

Индукционный нагрев

Индукционный нагрев — это нагревание материалов электрическими токами, которые индуцируются переменным магнитным полем. Такой нагрев изделий из проводящих материалов — проводников — происходит с помощью магнитного поля индукторов. Система «индуктор-заготовка» представляет собой бессердечниковый трансформатор, в котором индуктор является первичной обмоткой. Заготовка является вторичной обмоткой, замкнутой накоротко. А магнитный поток между обмотками замыкается по воздуху.

На высокой частоте вихревые токи вытесняются образованным ими же магнитным полем в тонкие поверхностные слои заготовки (скин-эффект), в результате чего их плотность резко возрастает, и заготовка разогревается. Индуктор и сам сильно нагревается во время работы, так как сам поглощает собственное излучение. К тому же он поглощает тепловое излучение от раскалённой заготовки. Делают индукторы из медных трубок, охлаждаемых водой. Вода подаётся отсасыванием — этим обеспечивается безопасность в случае прожога или иной разгерметизации индуктора.

Такой способ применяется в самых разных промышленных сферах: от сверхчистой бесконтактной плавки до ювелирного дела и обеззараживания медицинских инструментов.

Диэлектрический нагрев (СВЧ)

Для нагрева диэлектрических материалов используется переменное электрическое поле или электромагнитная волна — речь о популярных СВЧ-печах, или микроволновках. ТВЧ-нагрев (с токами высокой частоты) создается в конденсаторах, а СВЧ (сверхвысокочастотное излучение) — в волноводах и объемных резонаторах. При этом способе нагревание тел вызывается потерями на дипольную поляризацию диэлектриков.

Из недостатков такого способа — его неоднородность. При СВЧ-методе происходит лишь поверхностный нагрев, который зависит от теплопроводности материала.

При использовании электромагнитных СВЧ-волн нагрев вызывается молекулярным дипольным вращением в диэлектрике — типичной дипольной молекулой является молекула воды. Метод наиболее широко применяется для разморозки и нагрева при приготовлении пищи. Поскольку вода в пищевых продуктах содержит большое количество солей, которые диссоциируют на ионы, служащие носителями электрических зарядов и также реагирующие на переменное электромагнитное поле, нагрев продуктов обусловлен как переориентацией полярных молекул-диполей, так и смещением ионов.

Нагревание табака

Нагревание табака, а не его горение стало фундаментальным отличием альтернативных бездымных продуктов, которые разрабатываются в научно-исследовательском центре компании «Филип Моррис Интернэшнл» (ФМИ). Компания сделала ставку на прорывные технологии, науку и инновации. В Центре работают более 430 ученых и инженеров разных специальностей, которые уже более 10 лет применяют весь свой опыт и знания в целях создания будущего без сигаретного дыма. Компания проводит поэтапную и всестороннюю научную оценку своих инновационных бездымных продуктов, основанную на практиках, применяемых в фармацевтической отрасли, следуя международным стандартам качества, принципам надлежащей лабораторной практики (GLP) и надлежащей клинической практики (GCP). IQOS прошел все стадии тщательной научной оценки, включая 18 доклинических и 10 клинических исследований, в ходе которых было подтверждено, что при использовании IQOS выделяется на 95% меньше вредных веществ по сравнению с сигаретами.*

Важно: это не означает снижение риска на 95%. Использование IQOS не исключает риски для здоровья.

* «на 95% меньше вредных веществ» означает среднее снижение уровней вредных веществ (без учета никотина) в аэрозоле IQOS в сравнении с дымом эталонной сигареты, используемой в исследовании (3R4F).

В IQOS используется технология HeatControl™, которая устроена следующим образом: керамический элемент в форме лезвия нагревает табак изнутри до температуры, не превышающей 350°С. Такой температурный режим исключает горение, а значит, не образуется дыма и пепла, нет риска прожечь одежду, обивку в салоне автомобиля, мебель или обжечь кого-то.

Уникальность технологии заключается в том, что нагревание происходит изнутри, а не снаружи, и элемент соприкасается непосредственно с табаком, не поджигая его, а бережно нагревая. Кроме того, благодаря инновационным технологиям температура нагрева во время работы устройства IQOS контролируется и поддерживается на необходимом уровне автоматически. Дорожки из золота и платины, нанесенные на нагревательный элемент, вместе образуют термопару, которая измеряет и передает данные о температуре в блок управления, расположенном в держателе устройства.

Во всех без иключения моделях IQOS – от классической 2.4 Plus до новейшей и самой элегантной IQOS 3 DUOS – используется запатентованная технология разработанная в Швейцарии. При создании IQOS ученым и технологическим экспертам удалось исключить процесс горения, заменив его на нагревание, поэтому IQOS обладает рядом преимуществ по сравнению с продолжением курения сигарет. Сегодня уже более 11 миллионов совершеннолетних пользователей по всему миру сделали свой выбор в пользу IQOS*.

*Данные на основе внутренней финансовой отчетности ФМИ, опросов совершеннолетних пользователей IQOS и анализа рынка на [октябрь 2020 года]. Учитывались совершеннолетние пользователи IQOS, которые полностью прекратили курить сигареты, и для которых потребление табачных стиков ФМИ составило не менее 70% от всего табака нагреваемого в течение последних 7 дней на момент опроса.

Плазменная обработка

Если совместить теплофизические и электрохимические процессы на поверхности анода, связанные с локальным вскипанием жидкости, то получится явление, которое называют электролитно-плазменной обработкой. Другое название — анодный электролитный нагрев.

Впервые явление свечения и нагрева электродов заметили сразу несколько ученых в XIX веке — Артур Венельт, Александр Вальтер и Георг Симон Ом. Они доказали, что в результате теплового воздействия тока на электрод со сравнительно малой поверхностью вокруг него происходит локальное вскипание раствора с образованием парового слоя и размыканием электрической цепи. Имеющаяся в цепи индуктивность способствует появлению э.д.с. и пробою парогазового слоя со световыми явлениями.

Сегодня этот метод нагрева широко используется для скоростного упрочнения поверхностей деталей — например, цементации, азотирования, борирования, нитроцементации и/или закалки в рабочем электролите. А электролитно-плазменная обработка стали увеличивает ее поверхностную твердость, износостойкость, коррозионную устойчивость.

Лазерный нагрев

Лазерная обработка материалов используется повсеместно, в том числе и для получения нанотрубок из графена. В зависимости от интенсивности и длительности воздействия лазерного излучения можно нагревать материал без видимого разрушения, расплавлять его, испарять и даже вымывать продукты разрушения.

Расчеты показывают, что скорость нагрева при лазерном облучении материалов очень высока — до 10–10°С/с. За короткое время поверхностные слои успевают нагреться до высоких температур, расплавиться и перегреться. В перегретом металле примеси успевают раствориться.

Лазерный нагрев так же, как и газоразрядный, используется для концентрации энергии на поверхности графита. Эта энергия используется для термического распыления графита. При лазерном распылении получают практически только многослойные нанотрубки — с числом слоев от 4 до 24 и длиной до 300 нм. При этом графитовый образец — мишень, на которую фокусируется лазерное излучение, — помещают в печь для дополнительного нагрева.

А группа физиков-теоретиков одного из лондонских колледжей даже придумала новый метод, который может позволить лазерам нагревать определенные материалы до температур солнечного ядра и выше, правда, всего за 20 квадриллионных секунды.

Человек в своих технологических достижениях всегда вдохновлялся природой: начиная от применения огня для приготовления пищи и заканчивая современными атомными реакторами, в основе работы которых лежат те же самые процессы, что и в выработке тепла из ядра Земли. Умение нагревать позволило человечеству стать доминирующим видом на планете, расширить ареал своего обитания даже на самые суровые климатические зоны, ускорить химические реакции, создать суперпрочные материалы и, наконец, сделать жизнь комфортнее и технологичнее.

Источник