¿Cómo es posible calentar una cantidad ínfima (30 ml)[1] de agua a una temperatura lo suficientemente alta como para hacer un café, en menos de 10 segundos y posiblemente al instante?
La mayoría de los calentadores que conozco calientan el agua en no menos de 90 segundos (calentador de inducción) o 3 minutos, lo cual es demasiado para mis propósitos, y un horno microondas tarda un minuto y medio en calentarse.
[1] Un solo café tiene entre 20 y 30 ml y mi cafetera hace 30 ml para cada taza.
Bueno, hagamos algunos cálculos:
Suponiendo que 30 mL de agua son 30 g, y que queremos calentar el agua de 20 °C a 90 °C, la energía necesaria es: $$\begin{align}E&=C_Pm\Delta K \\ &=\left(4.18 \mathrm{\frac{ J}{gK}}\right)(30\mathrm{\ g})(70\mathrm{\ K})\\ &=8.778\mathrm{\ kJ}\end{align}$$
Entonces, ¿cuál es la potencia necesaria para hacerlo en un tiempo determinado? "Instantáneo" no significa realmente nada, así que vamos a ir con 10 segundos:
$$\begin{align}P&=\frac{E}{t}\\ &=\frac{8778\mathrm{\ J}}{10\mathrm{\ s}}\\ &=877.8 \mathrm{\ W}\end{align}$$
No es una cantidad enorme de energía, pero el truco está en que toda ella tiene que ir a calentar el agua. Un buen microondas tiene un poco más de potencia que ésta, pero generalmente no es absorbida por una cantidad tan pequeña de agua en sólo 10 segundos. La mejor opción es un elemento de calentamiento eléctrico insertado directamente en el líquido, aunque no sé si se puede conseguir uno de ~1000 W lo suficientemente pequeño como para que se asiente en esa cantidad de agua.
Como señala Jon Custer, no es necesario producir todo el calor a la vez. Si se calienta algún tipo de depósito térmico y se hace fluir el líquido a través de él, se reduce la demanda de la fuente de calor.
Edit: Además, acabo de probar esto con un microondas de 1200 W y sólo tardó 15 segundos. ¿Cómo de rápido necesitas realmente este café?
Realmente no sé qué respuesta seleccionar como la mejor ya que todas son grandes respuestas y explican muchas cosas de diferentes maneras. Me decantaré por la más votada. Sobre el microondas; creo que tengo uno menos potente y viejo. Bueno, ahora que lo pienso, algo en el rango de 15-30 segundos sigue siendo genial para la UX. Gracias a todos, espero que las respuestas ayuden a otras personas como a mí.
Si se trata de un reto de ingeniería (es decir, su empresa fabrica cafeteras exprés), la solución de las microondas es factible. 30 ml de agua absorberán 900 W de energía de microondas sin problemas si se puede diseñar la geometría del depósito de agua y la colocación del tubo de microondas. Un horno microondas estándar no puede ser optimizado de esa manera, y probablemente esté más afinado para un plato de comida.
Fuente: http://en.wikipedia.org/wiki/Nucleate_boiling
Como se puede ver en el gráfico anterior, hay un flujo de calor local máximo para calentar el agua, cuando la superficie caliente que entra en contacto con el agua está 30 grados C por encima del punto de ebullición, es decir, 130 grados C a presión atmosférica.
Por lo tanto, para minimizar el tiempo hasta la ebullición, ponga en contacto con el agua una superficie de 130 grados C hecha de un material de alta conductividad térmica (como plata, cobre o aluminio).
Con un flujo de calor de más de 100.000 vatios/m^2, basta con que la superficie de contacto sea lo suficientemente grande para conseguir el tiempo de calentamiento deseado.
Si quiere el práctico respuesta, obtenga una dispensador de agua caliente instantánea . Práctico, ¡HA! Bien, ¡hagamos algo de ciencia!
En primer lugar, ¿qué amable de café? Con 30 ml supongo que estás haciendo un espresso. Voy a ir con 92C como temperatura óptima .
En segundo lugar, voy a tomar sus 10 segundos completos. El resto del proceso de preparación del espresso lleva mucho más tiempo, así que el hecho de que sean 5, 10 o 15 segundos no supone una diferencia real en la rapidez con la que se obtiene el golpe de la mañana.
En otras respuestas se ha señalado la cantidad de energía necesaria para elevar los 30 ml desde la temperatura ambiente, pero puedes facilitarte la vida y hacer lo que hacen muchos sistemas de "ebullición instantánea" y precalentar. Esto le permite utilizar menos energía (durante los 10 segundos) y hacer que el agua alcance la temperatura más lentamente. De este modo, tendrás una mayor tolerancia entre que el agua esté demasiado fría y que se acabe hirviendo. Si el agua ya está a 50 C, sólo necesitará unos 500 W.
Para hacer frente a la conductividad térmica, una superficie más amplia en contacto con el elemento calefactor serviría para calentar el agua más rápida y uniformemente. Si el agua es demasiado fina, puede sobrecalentarse antes de salir de la resistencia. Demasiado gruesa y el fondo puede hervir antes de que la parte superior alcance la temperatura.
Necesitamos una superficie amplia y plana que pueda emitir al menos 500 W y de la que podamos añadir y retirar rápidamente pequeñas cantidades de agua. Parece que necesitas una sartén eléctrica ¡! Uno muy limpio. O la versión de laboratorio de precisión . Compre uno que pueda calentar rápida y uniformemente.
Saber cuándo retirar el agua es un problema. Medir la temperatura de 30 ml de agua en una sartén eléctrica caliente es problemático. Yo sugeriría probar y equivocarse con varios ajustes de la sartén, tiempos y temperaturas iniciales del agua. Puedes hacer muchas rondas experimentales en 10 segundos. Esto también te permitiría incluir el efecto de enfriamiento de cualquier recipiente al que lo transfieras.
Como otros han demostrado, la necesidad de energía es bastante razonable, el problema es llevarla al agua en ese plazo.
Creo que un enfoque viable podría hacerse con una colección de platos con espacios muy estrechos entre ellos que puedan contener sus 30ml. Haz las placas de algo que no sea demasiado buen conductor. Alimenta una corriente extrema a través de las placas (aunque con un voltaje muy bajo; tendrás un gran transformador reductor) y se calentará rápidamente. Tendrás que calcular la energía que queda en las placas y añadirla a la cantidad de energía que estás vertiendo a través de esto.
Cuidado, una segunda pasada antes de que las placas se hayan enfriado dará lugar, sin duda, a agua hirviendo.
Pequeño problema: sus placas son supuestamente conductores eléctricos algo decentes. Metal, grafito, etc. Estos tienen muchos electrones libres que pueden conducir la electricidad, pero también el calor. Así que el material que propones no es un aislante térmico.
Ya hay algunas buenas respuestas sobre cómo se podría conseguir razonablemente una taza de agua a la temperatura del café en 10 segundos. Sin embargo, ¿qué pasaría si quisieras obtenerla aún más rápido que eso?
Si ya tiene agua caliente, no tendrá que esperar 10 segundos para que su taza esté lista. Puede que no sea la solución más económica para obtener tu dosis matutina, pero si tienes una cafetería y realmente necesitas producir tazas en las horas punta, puede ser interesante estudiarlo.
Si no te gusta la idea de mantener el agua caliente todo el tiempo, necesitas algo que la caliente rápidamente. Por supuesto, puedes utilizar una enorme resistencia, pero supongo que puede ser incluso más rápido utilizar algo como una explosión. Sólo tienes que asegurarte de que ninguna sustancia química mortal acabe en tu taza.
En otras respuestas ya se indicaba que el principal problema de utilizar más potencia, es que es difícil controlar la temperatura. Sin embargo, esto debería solucionarse con los siguientes pasos:
Por supuesto, nunca será verdaderamente instantáneo, pero imagino que se podría hacer en una fracción de segundo.
Otra solución que quizás no es tan buena para el uso diario pero sí muy rápida, es encerrar el agua en un recipiente metálico, y a su alrededor otro cerramiento donde Cloruro de calcio El [CaCl2] se mezcla con el agua [H2O] (nota: ¡no es la misma agua que hay que calentar!) => Ca2+ (aq) + 2Cl-(aq) + Q que debería calentar el agua en menos de 10 segundos.
I-Ciencias es una comunidad de estudiantes y amantes de la ciencia en la que puedes resolver tus problemas y dudas.
Puedes consultar las preguntas de otros usuarios, hacer tus propias preguntas o resolver las de los demás.
3 votos
Las buenas máquinas de café expreso hacen esto todo el tiempo - un bloque calentador caliente con suficiente masa térmica lo hace bien.
0 votos
La conductividad térmica del agua haría que esto no fuera sólo una función de la energía, sino también de la superficie. Si es demasiado gruesa, el fondo hierve antes de que la parte superior alcance la temperatura. Demasiado fina y sobrepasará la temperatura deseada demasiado rápido para sacarla de la resistencia.
0 votos
Tengo un dispensador de agua de una taza que dispensa alrededor de 200-250ml en 30 segundos: presumiblemente podría hacer los primeros 30ml mucho más rápido con la misma técnica modificada ligeramente
1 votos
Las tropas en Vietnam usaron pequeñas cantidades de explosivo C4 para hacer café en el campo. Producía suficiente energía para calentar una taza con extrema rapidez. pomakis.tripod.com/clips/clip23.html - Sin embargo, supongo/espero que no sea algo que tengas por ahí en casa, o incluso en un laboratorio.
0 votos
Esta parte parece tener los requisitos de energía y superficie necesarios. Tampoco es caro.
3 votos
10 segundos o menos, ¡o es gratis! ¡WHAM! La ley de conservación de la energía dice que no es gratis.
2 votos
@MattThrower Bueno aclarar que no les explotó el café con el C4, les quemó el C4. El C4 quema muy bien y es extremadamente estable. Eso sí, no lo atravieses con una carga eléctrica. Y si tienes algo de C4, probablemente tengas mejores cosas que hacer con él. Pensándolo bien, si eres un civil con C4 lo mejor (para el resto de nosotros) que puedes hacer es quemarlo para calentar tu café.
0 votos
@MattThrower Efectivamente tengo acceso a C4 y otros explosivos, pero no me sentiría seguro vendiendo una posible bomba a civiles.
0 votos
@dotancohen Es lo suficientemente pequeño para mis propósitos. Creo que puedo encontrar algo parecido a nivel local.
0 votos
Golpea tu radiador. Es una trampa porque no estás calentando, ya está caliente y sabe a mierda. Pero de todos modos es agua caliente.