Dẫn nhiệt, Đối lưu và Bức xạ

Trong kỹ thuật rang cà phê, nhiệt năng được truyền đến hạt cà phê thông qua ba cơ chế chính: dẫn nhiệt (conduction), đối lưu (convection) và bức xạ nhiệt (radiation). Mỗi phương thức truyền nhiệt này không chỉ khác biệt về cơ chế vật lý mà còn để lại ảnh hưởng riêng biệt lên tốc độ truyền nhiệt, sự phát triển nhiệt bên trong hạt, cũng như đặc tính hương vị của cà phê sau khi rang.

Việc hiểu rõ bản chất, ưu – nhược điểm và vai trò của từng cơ chế truyền nhiệt không chỉ giúp người vận hành máy rang tối ưu hóa quy trình, mà còn mở ra khả năng kiểm soát sâu hơn đối với hồ sơ rang và chất lượng sản phẩm cuối cùng

Dẫn nhiệt #

Dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt giữa các vật liệu tiếp xúc trực tiếp với nhau. Ví dụ, khi bạn đặt một cái nồi lên bếp điện, nhiệt truyền từ bếp sang đáy nồi thông qua dẫn nhiệt. Quá trình dẫn nhiệt tiếp tục truyền nhiệt từ đáy nồi sang mặt trong, rồi từ đó lan ra toàn bộ nồi và phần thức ăn bên trong.

Dẫn nhiệt là sự chuyển giao năng lượng nhiệt từ vật liệu có nhiệt độ cao sang vật liệu có nhiệt độ thấp hơn. Trong máy rang cà phê, nhiệt được truyền đến hạt cà phê thông qua dẫn nhiệt khi các hạt tiếp xúc với các bề mặt nóng bên trong trống rang, bao gồm thành trống và các cánh đảo. Nhiệt cũng truyền từ hạt này sang hạt khác qua tiếp xúc trực tiếp. Dẫn nhiệt là một quá trình tương đối chậm và chỉ xảy ra khi có tiếp xúc trực tiếp giữa các vật liệu.

Đối lưu #

Đối lưu là quá trình truyền nhiệt thông qua sự chuyển động của chất lỏng. Trong quá trình rang cà phê, chất lỏng ở đây là không khí. Trong ví dụ với nồi nấu, nước tiếp xúc với đáy nồi nhận nhiệt thông qua dẫn nhiệt từ bề mặt kim loại. Nước nóng hơn có mật độ thấp hơn nên nổi lên, mang theo năng lượng nhiệt. Trong khi đó, nước lạnh hơn di chuyển xuống để thay thế. Chuyển động này tạo nên các dòng lưu chuyển trong nước, giúp phân bố nhiệt một cách hiệu quả.

Tuy nhiên, những dòng đối lưu tự nhiên này không phải là hình thức duy nhất của đối lưu. Nếu bạn khuấy nước, bạn sẽ khiến nó lưu chuyển nhanh hơn. Nước vẫn mang nhiệt theo khi di chuyển, vì vậy đây cũng là một dạng đối lưu. Trong máy rang cà phê, loại đối lưu này được gọi là đối lưu cưỡng bức (forced convection), được tạo ra bởi quạt gió.

Để không khí có thể mang nhiệt đi, trước tiên nó phải nhận năng lượng nhiệt từ các bề mặt nóng thông qua dẫn nhiệt. Về mặt kỹ thuật, đối lưu là sự kết hợp giữa dẫn nhiệt – quá trình truyền năng lượng cho chất khí hoặc chất lỏng – và chuyển động chất lỏng đó (advection).

Bức xạ #

Bức xạ là quá trình truyền nhiệt thông qua bức xạ điện từ. Tất cả vật thể đều phát ra bức xạ nhiệt, miễn là nhiệt độ của chúng cao hơn độ không tuyệt đối – mức nhiệt độ thấp nhất có thể đạt được. Vật càng nóng thì phát ra càng nhiều bức xạ nhiệt.

Bởi vì hầu hết các vật thể trong đời sống hằng ngày phát ra phần lớn bức xạ ở vùng hồng ngoại, nên người ta thường nhầm tưởng rằng bức xạ nhiệt chỉ là bức xạ hồng ngoại. Trên thực tế, nếu một vật thể đủ nóng, nó cũng có thể phát ra các bước sóng trong phổ nhìn thấy được (chính vì vậy mà vật thể có thể phát sáng trắng khi quá nóng), và cả các bước sóng xa hơn nữa. Tất cả các bước sóng trong phổ bức xạ điện từ – không chỉ riêng hồng ngoại – đều mang năng lượng và vì thế đều có thể truyền nhiệt.

Bức xạ điện từ có thể đi xuyên qua một số vật liệu, nhưng cũng có thể bị phản xạ hoặc hấp thụ bởi các vật liệu khác. Ví dụ, ánh sáng có thể xuyên qua kính dày hoặc bị phản chiếu từ bề mặt kim loại sáng bóng, nhưng lại gần như bị hấp thụ hoàn toàn bởi một tấm giấy đen. Khi một vật thể hấp thụ bức xạ điện từ, năng lượng của bức xạ được chuyển hóa thành năng lượng nhiệt.

Không giống như nhiệt từ dẫn nhiệt và đối lưu, năng lượng trong bức xạ có thể thâm nhập một khoảng nhỏ vào bên trong vật chất – như hạt cà phê – trước khi bị hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt. Ví dụ, với gỗ tươi, có nghiên cứu cho thấy 10% lượng bức xạ hồng ngoại chiếu vào bề mặt có thể xuyên sâu đến 0,3 milimét bên trong gỗ (Dupleix và cộng sự, 2013).

Bức xạ là phương thức truyền nhiệt nhanh nhất. Bản thân tia bức xạ di chuyển với tốc độ ánh sáng, nhưng tốc độ truyền nhiệt tổng thể chậm hơn vì một phần bức xạ bị không khí hấp thụ trên đường đi, và một phần khác bị phản xạ khỏi bề mặt vật liệu thay vì bị hấp thụ.