التسخين الجولي

الصيغة الأساسية لتسخين جول هي معادلة القدرة المعممة: $${\displaystyle P=I(V_{A}-V_{B})}$$ أين

• ${\displaystyle P}$هي القدرة (الطاقة لكل وحدة زمنية) المحولة من الطاقة الكهربائية إلى الطاقة الحرارية،
• ${\displaystyle I}$هل التيار يمر عبر المقاوم أو العنصر الآخر؟
• ${\displaystyle V_{A}-V_{B}}$يمثل انخفاض الجهد عبر العنصر.

شرح هذه الصيغة (${\displaystyle P=IV}$) هو: ^{[ 6 ]}

بافتراض أن العنصر يتصرف كمقاوم مثالي وأن الطاقة تتحول بالكامل إلى حرارة، يمكن إعادة كتابة الصيغة عن طريق استبدال قانون أوم .${\displaystyle V=IR}$، في معادلة القوة المعممة: $${\displaystyle P=IV=I^{2}R=V^{2}/R}$$ حيث R هي المقاومة .

عندما يتغير التيار، كما هو الحال في دوائر التيار المتردد،

$${\displaystyle P(t)=U(t)I(t)}$$

حيث t هو الزمن و P هي القدرة الفعالة اللحظية التي يتم تحويلها من طاقة كهربائية إلى حرارة. في أغلب الأحيان، تكون القدرة المتوسطة أكثر أهمية من القدرة اللحظية. بالنسبة لمقاوم مثالي، ذي مفاعلة صفرية ، فإن متوسط ​​قدرة التسخين الجولي هو

$${\displaystyle P_{\rm {avg}}=U_{\text{rms}}I_{\text{rms}}=(I_{\text{rms}})^{2}R=(U_{\text{rms}})^{2}/R}$$

حيث يشير "avg" إلى المتوسط ​​(المعدل) على مدار دورة واحدة أو أكثر، ويشير "rms" إلى الجذر التربيعي المتوسط .

إذا كانت المفاعلة غير صفرية، يتم تعديل الصيغ. متوسط ​​قدرة التسخين الجولي هو

$${\displaystyle P_{\rm {avg}}=U_{\text{rms}}I_{\text{rms}}\cos \phi =(I_{\text{rms}})^{2}\operatorname {Re} (Z)=(U_{\text{rms}})^{2}\operatorname {Re} (Y^{*})}$$

أين${\displaystyle \phi }$هو فرق الطور بين التيار والجهد،${\displaystyle \operatorname {Re} }$يعني الجزء الحقيقي ، وZ هي المعاوقة المركبة ، و Y* هو المرافق المركب للموصلية ( يساوي 1/ Z* ). لاحظ أن${\displaystyle \operatorname {Re} (Z)=R}$، و

$${\displaystyle \operatorname {Re} (Y^{*})=\operatorname {Re} {\frac {1}{Z^{*}}}=\operatorname {Re} {\frac {Z}{|Z|^{2}}}={\frac {R}{|Z|^{2}}}}$$.

لمزيد من التفاصيل حول الحالة التفاعلية، انظر الطاقة الكهربائية المترددة .

يمكن أيضاً حساب التسخين الجولي عند موقع محدد في الفضاء. وتعطي الصيغة التفاضلية لمعادلة التسخين الجولي القدرة لكل وحدة حجم.

$${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} P}{\mathrm {d} V}}=\mathbf {J} \cdot \mathbf {E} }$$

هنا،${\displaystyle \mathbf {J} }$هي كثافة التيار، و${\displaystyle \mathbf {E} }$هو المجال الكهربائي. بالنسبة لمادة ذات موصلية${\displaystyle \sigma }$،${\displaystyle \mathbf {J} =\sigma \mathbf {E} }$وبالتالي $${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} P}{\mathrm {d} V}}=\mathbf {J} \cdot \mathbf {E} =\mathbf {J} \cdot \mathbf {J} {\frac {1}{\sigma }}=J^{2}\rho }$$

أين${\displaystyle \rho =1/\sigma }$المقاومة النوعية . وهذا يشبه إلى حد كبير "${\displaystyle I^{2}R}$مصطلح الشكل العياني.

في الحالة التوافقية، حيث تتغير جميع كميات المجال بتغير التردد الزاوي${\displaystyle \omega }$مثل${\displaystyle e^{-\mathrm {i} \omega t}}$، المتجهات الطورية ذات القيم المركبة${\displaystyle {\hat {\mathbf {J} }}}$و${\displaystyle {\hat {\mathbf {E} }}}$تُستخدم عادةً للدلالة على كثافة التيار وشدة المجال الكهربائي، على التوالي. ويُكتب التسخين الجولي على النحو التالي: $${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} P}{\mathrm {d} V}}={\frac {1}{2}}{\hat {\mathbf {J} }}\cdot {\hat {\mathbf {E} }}^{*}={\frac {1}{2}}{\hat {\mathbf {J} }}\cdot {\hat {\mathbf {J} }}^{*}/\سيجما ={\frac {1}{2}}J^{2}\rho ,}$$ أين${\displaystyle \bullet ^{*}}$يشير إلى المرافق المركب .

التسخين الجولي هو عملية تعقيم سريعة (تُسمى أيضًا "التعقيم بدرجة حرارة عالية لفترة قصيرة" (HTST))، حيث يمر تيار متردد بتردد 50-60  هرتز عبر الطعام. ^{[ 8 ]} تتولد الحرارة من خلال المقاومة الكهربائية للطعام. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} مع ارتفاع درجة حرارة المنتج، تزداد الموصلية الكهربائية بشكل خطي. ^{[ 3 ]} يُفضل استخدام تردد تيار كهربائي أعلى لأنه يقلل من الأكسدة والتلوث المعدني. ^{[ 8 ]} تُعد هذه الطريقة الأمثل للأطعمة التي تحتوي على جزيئات معلقة في وسط ملحي ضعيف نظرًا لخصائص مقاومتها العالية. ^{[ 4 ] [ 8 ]}

تتولد الحرارة بسرعة وبشكل متجانس في المادة السائلة وكذلك في الجسيمات ، مما ينتج عنه منتج معقم عالي الجودة مناسب للمعالجة المعقمة . ^{[ 11 ] [ 12 ]}

تتحول الطاقة الكهربائية خطيًا إلى طاقة حرارية مع ازدياد الموصلية الكهربائية ، وهذا هو العامل الرئيسي الذي يؤثر على تجانس التسخين وسرعته. ^{[ 11 ]} تُعدّ هذه الطريقة الأمثل لتسخين الأطعمة التي تحتوي على جزيئات معلقة في وسط ملحي ضعيف نظرًا لمقاومتها العالية . [ ^{10 ] يتميز} التسخين الأومي بقدرته على تعطيل الكائنات الدقيقة من خلال إتلاف الخلايا حراريًا وغير حراريًا. ^{[ 11 ] [ 13 ] [ 14 ]}

يمكن لهذه الطريقة أيضًا تعطيل العوامل المضادة للتغذية، وبالتالي الحفاظ على الخصائص الغذائية والحسية . ^{[ 13 ]} ومع ذلك، فإن التسخين الأومي محدود بسبب اللزوجة والتوصيل الكهربائي وترسبات التلوث . ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} على الرغم من أن إدارة الغذاء والدواء الأمريكية ( FDA ) لم تُقرّ بعد التسخين الأومي للاستخدام التجاري، إلا أن لهذه الطريقة العديد من التطبيقات المحتملة، بدءًا من الطهي وحتى التخمير . ^{[ 11 ]}

توجد تكوينات مختلفة لأنظمة التسخين الأومي المستمر، ولكن في أبسط العمليات، ^{[ 11 ]} يلزم وجود مصدر طاقة أو مولد لإنتاج التيار الكهربائي. ^{[ 10 ]} تقوم الأقطاب الكهربائية ، الملامسة مباشرة للطعام، بتمرير التيار الكهربائي عبر المادة. ^{[ 10 ]} يمكن تعديل المسافة بين الأقطاب الكهربائية لتحقيق شدة المجال الكهربائي المثلى. ^{[ 10 ]}

يُولّد المولد تيارًا كهربائيًا يتدفق إلى القطب الأول ويمر عبر المنتج الغذائي الموضوع في الفجوة بين القطبين. ^{[ 10 ]} يقاوم المنتج الغذائي تدفق التيار، مما يؤدي إلى تسخينه داخليًا. ^{[ 11 ]} يستمر التيار في التدفق إلى القطب الثاني ثم يعود إلى مصدر الطاقة لإغلاق الدائرة. ^{[ 10 ]} تتحكم الأغطية العازلة المحيطة بالأقطاب في البيئة داخل النظام. ^{[ 10 ]}

تُعد شدة المجال الكهربائي وزمن الإقامة من أهم معايير العملية التي تؤثر على توليد الحرارة. ^{[ 11 ]}

الأطعمة المثالية للتسخين الأومي هي الأطعمة اللزجة التي تحتوي على جزيئات. ^{[ 11 ]}

• الشوربات السميكة
• الصلصات
• اليخنات
• السالسا
• فاكهة في وسط شراب
• لبن
• مزيج الآيس كريم
• بيضة
• مصل اللبن
• السوائل الحساسة للحرارة
• حليب الصويا

تعتمد كفاءة تحويل الكهرباء إلى حرارة على محتوى الملح والماء والدهون، وذلك تبعًا لعوامل التوصيل الحراري والمقاومة. ^{[ 13 ]} في الأطعمة ذات الجزيئات، تسخن الجزيئات أسرع من المادة السائلة نظرًا لمقاومتها العالية للكهرباء، ويمكن أن يساهم تطابق التوصيل في تسخين متجانس. ^{[ 11 ]} وهذا يمنع ارتفاع درجة حرارة المادة السائلة، بينما تتلقى الجزيئات معالجة حرارية كافية. ^{[ 9 ]} يوضح الجدول 1 قيم التوصيل الكهربائي لبعض الأطعمة لإظهار تأثير التركيب وتركيز الملح. ^{[ 11 ]} تشير قيم التوصيل الكهربائي العالية إلى وجود عدد أكبر من المركبات الأيونية المعلقة في المنتج، وهو ما يتناسب طرديًا مع معدل التسخين. ^{[ 10 ]} تزداد هذه القيمة في وجود المركبات القطبية ، مثل الأحماض والأملاح، ولكنها تنخفض مع المركبات غير القطبية ، مثل الدهون. ^{[ 10 ]} يزداد التوصيل الكهربائي للمواد الغذائية عمومًا مع ارتفاع درجة الحرارة، وقد يتغير في حال حدوث تغيرات هيكلية أثناء التسخين، مثل جلتنة النشا. ^{[ 11 ]} يمكن أن تؤثر الكثافة ودرجة الحموضة والحرارة النوعية للمكونات المختلفة في مصفوفة الطعام أيضًا على معدل التسخين. ^{[ 13 ]}

تشمل مزايا التسخين الأومي: تسخينًا موحدًا وسريعًا (أكثر من 1 درجة مئوية ^/ثانية )، وتقليل وقت الطهي، وكفاءة طاقة أفضل ، وتكلفة رأسمالية أقل، وتسخينًا متزامنًا لكامل حجم الطعام مقارنةً بالمعالجة المعقمة والتعليب والتسخين بالمجال الكهربائي النبضي . ^{[ 12 ]} يسمح التسخين الحجمي بالتسخين الداخلي بدلًا من نقل الحرارة من وسيط ثانوي. ^{[ 9 ]} ينتج عن ذلك إنتاج أغذية آمنة وعالية الجودة مع الحد الأدنى من التغييرات في الخصائص الهيكلية والغذائية والحسية للأغذية. ^{[ 9 ]} يكون انتقال الحرارة موحدًا ليصل إلى مناطق الطعام التي يصعب تسخينها. ^{[ 11 ]} يتراكم قدر أقل من التلوث على الأقطاب الكهربائية مقارنةً بطرق التسخين الأخرى. ^{[ 10 ]} يتطلب التسخين الأومي أيضًا تنظيفًا وصيانة أقل، مما يجعله طريقة تسخين صديقة للبيئة. ^{[ 9 ] [ 11 ] [ 12 ]}

يتم تعطيل الميكروبات في التسخين الأومي عن طريق إتلاف الخلايا حراريًا وغير حراريًا بفعل المجال الكهربائي. ^{[ 14 ]} تقضي هذه الطريقة على الكائنات الدقيقة من خلال التثقيب الكهربائي لأغشية الخلايا ، والتمزق الفيزيائي للغشاء، وتحلل الخلية . ^{[ 11 ] [ 13 ]} في التثقيب الكهربائي، يؤدي التسرب المفرط للأيونات والمكونات الجزيئية إلى موت الخلية. ^{[ 13 ]} في تمزق الغشاء، تنتفخ الخلايا نتيجة زيادة انتشار الرطوبة عبر غشاء الخلية. ^{[ 12 ]} يؤدي التلف الشديد وتحلل جدران الخلايا والأغشية السيتوبلازمية إلى تحلل الخلايا. ^{[ 11 ] [ 13 ] [ 14 ]}

يُحافظ التسخين الأومي على الخصائص الغذائية والحسية للأطعمة بفضل تقليل أوقات المعالجة. ^{[ 9 ]} كما يُعطّل التسخين الأومي العوامل المضادة للتغذية ، مثل الليبوكسيجيناز (LOX) والبوليفينول أوكسيداز (PPO) والبكتيناز ، وذلك بإزالة المجموعات المعدنية النشطة في الإنزيمات بواسطة المجال الكهربائي. ^{[ 13 ]} وعلى غرار طرق التسخين الأخرى، يُسبب التسخين الأومي تبلور النشويات، وذوبان الدهون، وتكتل البروتينات . ^{[ 11 ]} وتبقى العناصر الغذائية الذائبة في الماء محفوظة في السائل المعلق، مما يضمن عدم فقدان القيمة الغذائية في حال استهلاك السائل. ^{[ 15 ]}

يُحدّ من التسخين الأومي اللزوجة والتوصيل الكهربائي وترسبات التلوث. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} يمكن أن تحدّ كثافة الجزيئات داخل السائل المعلق من درجة المعالجة. يوفر السائل ذو اللزوجة العالية مقاومة أكبر للتسخين، مما يسمح بتسخين الخليط بشكل أسرع من المنتجات ذات اللزوجة المنخفضة. ^{[ 11 ]} يُعدّ التوصيل الكهربائي للمنتج الغذائي دالةً لدرجة الحرارة والتردد وتركيب المنتج. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} يمكن زيادة هذا التوصيل بإضافة مركبات أيونية، أو تقليله بإضافة مكونات غير قطبية. ^{[ 9 ]} تحدّ التغيرات في التوصيل الكهربائي من التسخين الأومي، حيث يصعب نمذجة العملية الحرارية عند ارتفاع درجة الحرارة في الأطعمة متعددة المكونات. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

تتراوح التطبيقات المحتملة للتسخين الأومي بين الطهي، وإذابة التجميد، والسلق ، والتقشير، والتبخير، والاستخلاص، والتجفيف ، والتخمير. ^{[ 11 ]} وتتيح هذه التطبيقات استخدام التسخين الأومي لبسترة الأطعمة الصلبة قبل تعبئتها ساخنة، وتسخين المنتجات مسبقًا قبل تعليبها، ومعالجة الوجبات الجاهزة للأكل والأطعمة المبردة بطريقة معقمة. ^{[ 10 ]} ترد أمثلة محتملة في الجدول 2، حيث لم تحصل طريقة معالجة الأغذية هذه على موافقة إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) للاستخدام التجاري. ^{[ 10 ]} ونظرًا لعدم كفاية البيانات المتوفرة حاليًا حول الموصلية الكهربائية للأطعمة الصلبة، يصعب إثبات جودة تصميم عملية التسخين الأومي وسلامتها. ^{[ 16 ]} إضافةً إلى ذلك، لم يتم التحقق بعد من نجاح خفض كثافة 12D للوقاية من بكتيريا كلوستريديوم بوتولينوم . ^{[ 16 ]}

استُخدم التسخين الوميضي (التسخين الكهروحراري العابر عند درجة حرارة عالية) لتخليق متآصلات الكربون ، بما في ذلك الجرافين والماس. ويؤدي تسخين مواد أولية كربونية صلبة متنوعة (مثل أسود الكربون، والفحم، وبقايا القهوة، وغيرها) إلى درجات حرارة تقارب 3000 كلفن لمدة تتراوح بين 10 و150 مللي ثانية إلى إنتاج رقائق جرافين مضطربة الطبقات . ^{[ 17 ]} كما استُخدم التسخين الوميضي لاستخلاص العناصر الأرضية النادرة المستخدمة في الإلكترونيات الحديثة من النفايات الصناعية . ^{[ 18 ] [ 19 ]} وانطلاقًا من مصدر كربون مفلور، يمكن تخليق الكربون المنشط المفلور، والماس النانوي المفلور ، والكربون متحد المركز (غلاف كربوني حول نواة من الماس النانوي)، والجرافين الوميضي المفلور. ^{[ 20 ] [ 21 ]}