Nun, lassen Sie uns etwas rechnen:

Angenommen, 30 ml Wasser sind 30 g, und wir möchten unser Wasser von 20 ° C auf 90 ° C erwärmen, ist folgende Energie erforderlich: $$ \ begin {align} E& = C_Pm \ Delta K \\ & = \ left (4.18 \ mathrm {\ frac {J} {gK}} \ right) (30 \ mathrm {\ g}) (70 \ mathrm {\ K} ) \\ & = 8.778 \ mathrm {\ kJ} \ end {align} $$

Wie viel Leistung benötigen wir also in einer bestimmten Zeit, um dies zu tun? "Sofort" bedeutet eigentlich nichts, also gehen wir mit 10 Sekunden:

$$ \ begin {align} P& = \ frac {E} {t} \\ & = \ frac {8778 \ mathrm {\ J}} {10 \ mathrm {\ s}} \\ & = 877.8 \ mathrm {\ W} \ end {align} $$

Dies ist keine enorme Menge an Leistung, aber Der Trick ist, dass alles in die Erwärmung des Wassers gehen muss. Eine gute Mikrowelle liefert ein gutes Stück mehr Leistung als diese, aber im Allgemeinen wird nicht alles in nur 10 Sekunden von einer so kleinen Menge Wasser absorbiert. Ihre beste Wahl ist wahrscheinlich ein elektrisches Heizelement, das direkt in die Flüssigkeit eingeführt wird, obwohl ich nicht weiß, ob Sie ein ~ 1000 W erhalten können, das klein genug ist, um in so viel Wasser zu sitzen.

Wie Jon Custer bemerkt Es ist nicht notwendig, die gesamte Wärme auf einmal zu erzeugen. Wenn Sie eine Art Wärmespeicher erwärmen und die Flüssigkeit daran vorbei / hindurchströmen lassen, verringert dies die Anforderungen an Ihre Wärmequelle.

Bearbeiten: Außerdem habe ich dies gerade mit einer 1200-W-Mikrowelle und versucht es dauerte nur 15 Sekunden. Wie schnell brauchen Sie diesen Kaffee wirklich?

Quelle: http://en.wikipedia.org/wiki/Nucleate_boiling

Wie in der obigen Grafik zu sehen gibt es ein lokales Wärmeflussmaximum zum Erhitzen von Wasser, wenn die heiße Oberfläche, die das Wasser berührt, 30 ° C über dem Siedepunkt liegt, dh 130 ° C bei atmosphärischem Druck.

Um die Zeit bis zum Kochen zu minimieren, berühren Sie eine 130 ° C-Oberfläche aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit (wie Silber, Kupfer oder Aluminium) mit dem Wasser.

Bei einem Wärmefluss von über 100.000 Watt / m ^ 2 müssen Sie nur die Kontaktfläche groß genug machen, um die gewünschte Aufheizzeit zu erreichen.

Wenn Sie die praktische Antwort wünschen, besorgen Sie sich einen sofortigen Heißwasserspender. Praktisch, HA! Ok, lass uns etwas Wissenschaft machen!

Was für eine Art von Kaffee ? Bei 30 ml machen Sie vermutlich Espresso. Ich werde 92 ° C als optimale Temperatur verwenden.

Zweitens nehme ich mir Ihre vollen 10 Sekunden Zeit. Der Rest der Zubereitung von Espresso dauert viel länger. Ob es nun 5, 10 oder 15 Sekunden sind, spielt keine Rolle, wie schnell Sie Ihren morgendlichen Treffer erzielen.

Andere Antworten haben darauf hingewiesen Energiemenge, die benötigt wird, um Ihre 30 ml von Raumtemperatur zu bringen, aber Sie können sich das Leben leichter machen und das tun, was viele "Instant Boil" -Systeme tun und vorheizen. Auf diese Weise können Sie weniger Energie verbrauchen (ohnehin 10 Sekunden lang) und das Wasser langsamer auf Temperatur bringen. Dies gibt Ihnen eine größere Toleranz zwischen zu kaltem Wasser und weggekochtem Wasser. Wenn Ihr Wasser bereits 50 ° C hat und nur etwa 500 W benötigt.

Um mit der Wärmeleitfähigkeit fertig zu werden, würde eine größere Oberfläche in Kontakt mit dem Heizelement dazu dienen, das Wasser schneller und gleichmäßiger zu erwärmen . Wenn das Wasser zu dünn ist, kann es überhitzen, bevor es aus dem Element entfernt wird. Zu dick und der Boden kann kochen, bevor die Oberseite die Temperatur erreicht.

Wir benötigen eine breite, flache Oberfläche, die mindestens 500 W abgeben kann und aus der wir schnell kleine Mengen Wasser hinzufügen und entfernen können. Klingt so, als bräuchten Sie eine elektrische Pfanne! Eine sehr saubere. Oder die Präzisionslaborversion. Kaufen Sie eine, die sich schnell und gleichmäßig erwärmen kann.

Zu wissen, wann das Wasser entfernt werden muss, ist ein Problem. Das Messen der Temperatur von 30 ml Wasser auf einer heißen elektrischen Pfanne ist problematisch. Ich würde Versuch und Irrtum mit verschiedenen Pfanneneinstellungen, Zeiten und anfänglichen Wassertemperaturen vorschlagen. Sie können viele experimentelle Runden in 10 Sekunden machen. Auf diese Weise können Sie auch den Kühleffekt des Gefäßes berücksichtigen, in das Sie es überführen.

Laut der Antwort von Michael Dryden sind 877,8 W erforderlich, um 30 ml Wasser in 10 Sekunden um 70 ° C (von 20 ° C auf 90 ° C) zu erwärmen.

Meine elektrische Dusche ist ungefähr das Zehnfache dieser Leistung (nennen wir es der Einfachheit halber 8,778 kW). Ich dusche nicht gern bei 90 ° C. Ich bin mehr als glücklich, wenn meine Dusche das Wasser um die Hälfte dieses Temperaturunterschieds erwärmt, beispielsweise 35 ° C (von 5 ° C bis 40 ° C). Also würde ich es so einstellen, dass alle 10 Sekunden 300 ml x 2 = 600 ml geliefert werden. Das sind 3,6 l / Minute, also verbraucht meine 5-minütige Dusche 18 l Wasser. Wenn ich die Temperatur in der Dusche um 70 ° C erhöhen würde, müsste ich sie natürlich alle 10 Sekunden auf 300 ml beschränken, was sie zu einer kontinuierlichen Version Ihres Experiments macht, die um den Faktor 10 vergrößert wird.

Als ich das letzte Mal eine Dusche auseinander nahm, befand sich das Element in einem Kupfergefäß mit einem Volumen von etwa 300 ml. Wenn Sie also den Durchfluss in zehn Sekunden auf 300 ml beschränken, beträgt Ihre Verweilzeit im Elementgefäß ... zehn Sekunden!

Wie von Schwern festgestellt, heizt Ihr Problem es nicht auf, sondern kann die Temperatur genau steuern. Eine Methode, die nicht erwähnt wurde, ist das Eintauchen eines kalibrierten Klumpens von heißes Metall hinein (oder in einen heißen Metallbehälter gießen). Die bisher beste Methode ist jedoch Michael Drydens Idee, eine Mikrowelle zu verwenden.

In der Industrie werden Batch-Verfahren nur für langsame Prozesse wie das Brauen verwendet Bier. Schnelle Prozesse (wie sie bei der Ölraffinierung verwendet werden: Cracken, Reformieren, Alkylieren usw.) werden kontinuierlich durchgeführt. Aus wirtschaftlichen Gründen werden diese Prozesse so schnell wie möglich mit möglichst kleinen Geräten durchgeführt, und ein kontinuierlicher Prozess ist daher der einzig praktikable Weg, dies zu tun.

Wenn Sie wirklich so schnell Wasser erhitzen müssen und die in Ihrem Experiment verbrauchten Reaktanten billig sind, empfehlen wir Ihnen, Ihr Experiment als kontinuierlichen Prozess mit einem Wasserfluss einzurichten. Auf diese Weise können Sie die Temperatur mit einer elektrischen Heizung genau steuern. Eine Dusche wird wahrscheinlich zu leistungsstark sein - versuchen Sie, alles auf ein 25-W-Lötkolbenelement zu verkleinern (stellen Sie sicher, dass es abgedichtet ist und aus Sicherheitsgründen 12 V Gleichstrom enthält!).

Sie können Ihre Geräte mit Wasser aus einem Vorratsbehälter unter versorgen oben und steuern Sie die Durchfluss- / Verweilzeit mit einem Ventil am Auslass unten. Wenn Sie die gleichen Bedingungen mit doppelter Verweilzeit versuchen möchten, reduzieren Sie einfach sowohl den Wasserdurchfluss als auch die Heizleistung auf 50%.

Sie können den Vorratsbehälter optional bis zum Punkt (in der Nähe) mit Leitungswasser auffüllen ) Überlauf, wenn Sie Dinge hineinmischen müssen.

Als ich einen Umstellungskurs von Chemie zu Chemieingenieurwesen absolvierte, wurden einige der Praktika so eingerichtet. Dies ist definitiv der richtige Weg, wenn Sie schnelle Prozesse untersuchen möchten, sei es Mischen, Reaktionskinetik oder was auch immer.

In Bezug auf Daves Punkte zum kritischen Wärmefluss ist es wichtig, sicherzustellen, dass Sie über eine ausreichende Oberfläche verfügen Bereich für das zu erhitzende Volumen. Ich sehe es jedoch nicht als großes Problem in Ihrer Größenordnung. Für 1 kW benötigen Sie 100 cm2 Heizfläche für einen Fluss von 100.000 W / m2. Viele neuere Wasserkocher bieten dies (mit Erwärmung über die gesamte Bodenfläche für ein saubereres Design), aber ältere Modelle mit lockigen Heizelementen liegen über 100.000 W / m2 und nähern sich dem kritischen Wärmefluss. Diese Wasserkocher "brüllen", wenn sie aufgrund von Kavitation zum Kochen kommen.

Wenn Ihre Reagenzien jedoch empfindlich sind, müssen Sie Ihre Heizungen sehr eng platzieren oder sogar eine Dampfinjektion verwenden. Ich erinnere mich an einen besonders schlimmen Fall von elektrischen Heizgeräten, die eine wässrige Polymerlösung in flüchtige Aldehyde umwandeln

Wie andere gezeigt haben, ist der Energiebedarf durchaus vernünftig. Das Problem besteht darin, ihn in diesem Zeitraum an das Wasser zu liefern.

Ich würde denken, dass ein praktikabler Ansatz mit einer Sammlung von Platten mit sehr engen Grenzen erreicht werden könnte Zwischenräume zwischen ihnen, die Ihre 30ml halten können. Machen Sie die Platten aus etwas, das kein allzu guter Dirigent ist. Führen Sie einen extremen Strom durch die Platten (allerdings sehr niedrige Spannung - Sie haben einen großen Abwärtstransformator) und es wird schnell heiß. Sie müssen die in den Platten verbleibende Energie berechnen und zu der Menge an Energie hinzufügen, die Sie durch diese ablassen.

Vorsicht, ein zweiter Lauf vor dem Abkühlen der Platten führt mit Sicherheit zu kochendem Wasser.

Sie können Induktionskochfelder ausprobieren. 10 Sekunden für 30 ml sollten bei 700 W oder mehr ausreichen, wenn Sie ein flaches und breites Gefäß verwenden (nicht alle Utensilien sind induktionskompatibel).

So erhalten Sie Instantkaffee

Es gibt bereits einige gute Antworten, wie Sie innerhalb von 10 Sekunden eine Tasse Wasser mit Kaffeetemperatur erhalten können. Was aber, wenn Sie es noch schneller bekommen möchten?

Realistische Lösung: Verwenden Sie einen Kessel

Wenn Sie bereits heißes Wasser haben, müssen Sie nicht auf 10 warten Sekunden bevor Ihre Tasse fertig ist. Dies ist möglicherweise nicht die wirtschaftlichste Lösung, um Ihre morgendliche Dosis zu erhalten. Wenn Sie jedoch ein Café haben und in Spitzenzeiten wirklich Tassen produzieren müssen, kann es interessant sein, dies zu prüfen.

Interessante Lösung: Verwenden Sie mehr Strom

Wenn Sie die Idee, Ihr Wasser ständig heiß zu halten, nicht mögen, brauchen Sie etwas, um es schnell zu erhitzen. Natürlich könnten Sie ein riesiges Heizelement verwenden, aber ich nehme an, dass es noch schneller sein kann, so etwas wie eine Explosion zu verwenden. Sie müssen nur sicherstellen, dass keine tödlichen Chemikalien in Ihre Tasse gelangen.

Andere Antworten zeigten bereits, dass das Hauptproblem bei der Verwendung von mehr Strom darin besteht, dass es schwierig ist, die Temperatur zu kontrollieren. Dies sollte jedoch mit den folgenden Schritten gelöst werden:

1. (Über) Erhitzen Sie etwas Wasser
2. Messen Sie die Temperatur (nur erforderlich, wenn in Schritt 1 keine feste Temperatur zuverlässig erzeugt werden kann)
3. Mischen Sie die richtige Menge dieses Wassers / Dampfes mit kaltem Wasser, um eine Tasse Wasser mit der gewünschten Temperatur zu erhalten.
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Natürlich wird es niemals wirklich augenblicklich sein. aber ich stelle mir vor, dass Sie es in einem Bruchteil einer Sekunde erledigen könnten.

Sie können $ 3.9 ~ \ mathrm {g} $ Dampf leicht zu $ ​​26.1 ~ \ mathrm {ml} $ Wasser von $ 20 \ mathrm {° C} $ hinzufügen, um $ 30 ~ \ mathrm {ml} $ Wasser von $ 100 \ mathrm zu erhalten {° C} $ in weniger als zehn Sekunden.

Wir brauchen eine breite, ebene Oberfläche, die mindestens 500 W ergeben kann und die wir schnell aufnehmen und kleine Mengen Wasser entfernen können. Klingt so, als ob Sie eine gute elektrische Pfanne benötigen! Eine sehr saubere. Oder die Präzisionslaborversion. Holen Sie sich eine, die sich schnell und gleichmäßig erhitzen kann.