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Solución:
Solución 1:
Bueno, hagamos algunas matemáticas:
Suponiendo que 30 ml de agua son 30 gy queremos calentar nuestra agua de 20 ° C a 90 ° C, la energía requerida 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, ¿cuánto poder necesitamos para hacer esto en un momento dado? “Instantáneo” realmente no significa nada, así que vayamos con 10 segundos:
$$ begin align P & = frac E t \ & = frac 8778 mathrm J 10 mathrm s \ & = 877.8 mathrm W end align $$
No se trata de una enorme cantidad de energía, pero el truco es que todo tiene que destinarse a calentar el agua. Un buen microondas produce un poco más de potencia que esto, pero generalmente no es absorbido por una cantidad tan pequeña de agua en solo 10 segundos. Su mejor opción es probablemente un elemento calefactor eléctrico insertado directamente en el líquido, aunque no sé si puede obtener uno de ~ 1000 W lo suficientemente pequeño como para sentarse en tanta agua.
Como señala Jon Custer, no es necesario producir todo el calor a la vez. Si calienta algún tipo de depósito térmico y hace pasar el líquido a través de él, reduce las demandas de su fuente de calor.
Editar: Además, acabo de probar esto con un microondas de 1200 W y solo tomó 15 segundos. ¿Qué tan rápido realmente necesitas este café?
Solución 2:
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 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.
Entonces, para minimizar el tiempo de ebullición, contacte una superficie de 130 grados C hecha de material de alta conductividad térmica (como plata, cobre o aluminio) con el agua.
Con un flujo de calor superior a 100.000 vatios / m ^ 2, solo necesita hacer que la superficie de contacto sea lo suficientemente grande como para lograr el tiempo de calentamiento deseado.
Solución 3:
Si quieres el práctico respuesta, obtenga un dispensador de agua caliente instantáneo. Práctico, ¡JA! Ok, ¡hagamos algo de ciencia!
Primero, que amable ¿de café? Con 30 ml, supongo que estás haciendo espresso. Voy a elegir 92 ° C 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, por lo que si son 5, 10 o 15 segundos no hace una diferencia real en la rapidez con la que consigues el golpe de la mañana.
Otras respuestas han señalado la cantidad de energía necesaria para elevar sus 30 ml desde la temperatura ambiente, pero puede hacer la vida más fácil y hacer lo que muchos sistemas de “hervido instantáneo” hacen y precalientan. Esto le permite usar menos energía (durante los 10 segundos de todos modos) y llevar el agua a la temperatura más lentamente. Esto le da una tolerancia más amplia entre que el agua esté demasiado fría y que se hierva. Si su agua ya está a 50 C, solo requerirá 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 de forma más rápida y uniforme. Si el agua es demasiado fina, puede sobrecalentarse antes de que se retire del elemento. Demasiado espeso y el fondo puede hervir antes de que la parte superior alcance la temperatura.
Necesitamos una superficie amplia y plana que pueda producir al menos 500 W y a la que podamos agregar y eliminar 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 sacar el agua es un problema. Medir la temperatura de 30 ml de agua en una sartén eléctrica caliente es problemático. Sugeriría prueba y error con varias configuraciones de sartén, tiempos y temperaturas iniciales del agua. Puedes hacer muchas rondas experimentales en 10 segundos. Esto también le permitiría incluir el efecto de enfriamiento de cualquier recipiente al que lo esté transfiriendo.
Solución 4:
Según la respuesta de Michael Dryden, se necesitan 877,8 W para calentar 30 ml de agua a 70 ° C (de 20 ° C a 90 ° C) en 10 segundos.
Mi ducha eléctrica tiene aproximadamente 10 veces esa potencia. (llamémoslo 8.778kW para mayor comodidad). No me gusta ducharme a 90 ° C. Estoy más que feliz si mi ducha calienta el agua aproximadamente la mitad de esa diferencia de temperatura, digamos 35 ° C (de 5 ° C a 40 ° C). Entonces lo configuraría para entregar 300 ml x 2 = 600 ml cada 10 segundos. Eso es 3.6L / minuto, por lo que mi ducha de 5 minutos usa 18L de agua. Por supuesto, Si optara por aumentar la temperatura en 70 ° C en la ducha, tendría que restringirla a 300 ml cada 10 segundos, convirtiéndola en una versión continua de su experimento, aumentado por un factor de 10.
La última vez que me di una ducha, el elemento estaba dentro de un recipiente de cobre de aproximadamente 300 ml de volumen. Por lo tanto, si restringiera el flujo a 300 ml en diez segundos, su tiempo de residencia en el recipiente del elemento sería … ¡diez segundos!
Como señaló Schwern, su problema no es calentarlo, es poder controlar la temperatura con precisión. Un método que no se ha mencionado es sumergir un trozo calibrado de metal caliente en él (o verterlo en un recipiente de metal caliente). Pero hasta ahora, el mejor método es la idea de Michael Dryden de usar un microondas.
En la industria, los procesos por lotes solo se utilizan para procesos lentos como la elaboración de cerveza. Los procesos rápidos (como los utilizados en el refino de petróleo: craqueo, reformado, alquilación, etc.) se realizan de forma continua. Por razones económicas, estos procesos se llevan a cabo lo más rápido posible en los equipos más pequeños posibles, por lo que el proceso continuo es la única forma práctica de realizarlos.
Si realmente necesita calentar agua tan rápido y los reactivos consumidos en su experimento son baratos, le sugiero que configure su experimento como un proceso continuo., con un flujo de agua a través de él. De esa forma podrá controlar la temperatura con precisión con un calentador eléctrico. Una ducha probablemente será demasiado potente: intente reducir todo a algo como un elemento de soldador de 25 W (¡asegúrese de que esté sellado y de 12 V CC por seguridad!)
Puede suministrar agua a su equipo desde un depósito en la parte superior y controlar el flujo / tiempo de residencia con una válvula en la salida en la parte inferior. Si desea probar las mismas condiciones con el doble del tiempo de residencia, simplemente reduzca tanto el flujo de agua como la salida del calentador al 50%.
Opcionalmente, puede reponer el depósito con agua del grifo hasta el punto de (casi) desbordamiento si necesita mezclar cosas en él.
Cuando hice un curso de conversión de química a ingeniería química, varias de las prácticas se establecieron así. Definitivamente es el camino a seguir si desea estudiar procesos rápidos, ya sea mezcla, cinética de reacción o lo que sea.
Con respecto a los puntos de Dave sobre el flujo de calor crítico, lo importante es asegurarse de tener suficiente área de superficie para el volumen que se calienta. Sin embargo, no lo veo como un gran problema a su escala. Para 1kW, necesita 100cm2 de superficie de calentamiento para un flujo de 100,000W / m2. Muchos hervidores más nuevos proporcionan esto (con calefacción en toda la superficie inferior para un diseño más ordenado), pero los modelos más antiguos con elementos calefactores rizados superan los 100.000 W / m2, acercándose al flujo de calor crítico. Estos hervidores eléctricos “rugen” cuando hierven debido a la cavitación.
Sin embargo, si sus reactivos son delicados, necesitará espaciar sus calentadores muy estrechamente o incluso usar inyección de vapor. Recuerdo un caso particularmente desagradable de calentadores eléctricos que convertían una solución acuosa de polímero en aldehídos volátiles.
Solución 5:
Como otros han demostrado que el requerimiento de energía es bastante razonable, el problema es entregarlo al agua en ese período de tiempo.
Creo que se podría hacer un enfoque viable con una colección de platos con espacios muy estrechos entre ellos que puedan contener sus 30 ml. Haz las placas con algo que no sea muy buen conductor. Alimente una corriente extrema a través de las placas (aunque muy bajo voltaje, tendrá un gran transformador reductor) y se calentará rápidamente. Tendrá que calcular la energía que queda en las placas y agregarla a la cantidad de energía que está descargando a través de esto.
Cuidado, una segunda pasada antes de que las placas se hayan enfriado sin duda resultará en agua hirviendo.
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