“Quán tính nhiệt” là một thuật ngữ được sử dụng phổ biến trong rang cà phê để mô tả hiện tượng độ trễ giữa các thay đổi về nhiệt độ hạt và tốc độ tăng nhiệt (RoR – Rate of Rise) so với các điều chỉnh về gas và luồng khí trong máy rang. Quán tính nhiệt thường được liên kết với tốc độ tăng nhiệt của hạt — ví dụ, người rang thường nói rằng cần “có đủ quán tính khi bước vào giai đoạn nổ lần thứ nhất” để đảm bảo kết thúc mẻ rang đúng cách, tức là RoR lúc đó phải đủ cao.
Một RoR cao vào đầu giai đoạn nổ lần thứ nhất đôi khi được xem là dấu hiệu cho thấy mẻ rang đang có “quán tính”, nhưng cách hiểu chính xác hơn là: đó là biểu hiện của lượng nhiệt năng đang được tích trữ trong hệ thống rang.
Điều quan trọng là phải hiểu rằng quán tính nhiệt ở đây không phải là một đặc tính nội tại của hạt cà phê. RoR phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ giữa hạt và môi trường xung quanh. Nếu loại bỏ chênh lệch này, nhiệt độ hạt sẽ ngay lập tức ngừng tăng – nghĩa là bản thân tốc độ tăng nhiệt không mang “quán tính” thật sự.
Tuy nhiên, khi bạn tắt gas trong quá trình rang, thì máy rang và khối khí bên trong nó vẫn còn tích lũy một lượng nhiệt đáng kể. Miễn là các bề mặt truyền nhiệt và luồng khí nóng vẫn có nhiệt độ cao hơn hạt cà phê, quá trình truyền nhiệt vẫn tiếp tục. Chính lượng nhiệt tích trữ này tạo ra cảm giác rằng hạt cà phê vẫn tiếp tục tăng nhiệt dù đã ngừng cấp nhiệt – đó chính là quán tính nhiệt.
Một RoR cao thường xảy ra khi nhiệt độ của máy rang và khối khí rang cao hơn đáng kể so với hạt. Do đó, khi RoR cao, điều đó phản ánh rằng hệ thống đang mang nhiều năng lượng nhiệt sẵn sàng truyền vào hạt. Đây là lý do vì sao một mẻ rang với RoR cao có vẻ như “có quán tính” – vì máy rang và khí nóng chứa nhiều nhiệt năng hơn, tiếp tục ảnh hưởng đến tiến trình rang ngay cả khi ngừng cấp nhiệt tức thời.
Quán tính nhiệt trong máy rang tầng sôi và máy rang trống
Trong máy rang tầng sôi (fluid-bed roaster, hình a), gần như toàn bộ nhiệt lượng được truyền đến hạt cà phê thông qua luồng khí nóng. Nhờ chênh lệch nhiệt độ lớn và khả năng truyền nhiệt hiệu quả, tốc độ tăng nhiệt (rate of rise – RoR) của hạt rất cao. Tuy nhiên, nếu ngắt nguồn nhiệt (hình b), RoR sẽ giảm rất nhanh.
Ngược lại, trong máy rang trống (drum roaster, hình c), cả trống và luồng khí đều tham gia truyền nhiệt cho hạt. Khi tắt burner (hình d), bản thân trống vẫn còn nóng và tiếp tục truyền nhiệt cho hạt. Đồng thời, luồng khí lưu thông trong máy tiếp tục hấp thu nhiệt từ các bề mặt nóng bên trong. Do đó, RoR giảm chậm hơn, tạo ra cảm giác về một dạng “quán tính nhiệt”.
Cảm giác “quán tính” này thực chất là kết quả của nhiệt lượng tích trữ trong các bộ phận của máy rang. Tuy nhiên, các thiết kế máy rang khác nhau sẽ tích trữ nhiệt theo cách khác nhau. Trong máy tầng sôi, bề mặt máy truyền rất ít nhiệt cho hạt, và dòng khí nóng thoát ra rất nhanh. Vì vậy, khi ngắt nguồn nhiệt, nhiệt độ hạt sẽ ngừng tăng gần như ngay lập tức.
Ngược lại, ở máy rang trống có thiết kế trống dày và nặng, nhiệt năng tích trữ nhiều hơn. Trong trường hợp này, nhiệt độ hạt sẽ tiếp tục tăng sau khi tắt burner, cho đến khi đạt cân bằng với nhiệt độ của trống.
Ảo giác về “quán tính nhiệt” trong RoR còn bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt dung hiệu dụng của hạt trong quá trình rang. Khi rang, hạt cà phê mất dần khối lượng nên tổng nhiệt dung giảm. Như đã đề cập trong bài học trước, nhiệt dung riêng hiệu dụng của hạt cũng giảm dần về cuối quá trình rang, do nước bay hơi và do thay đổi trong cân bằng giữa các phản ứng thu nhiệt và tỏa nhiệt. Những thay đổi này khiến hạt phản ứng nhanh hơn với cùng một mức nhiệt đầu vào – tức là RoR tăng nhanh hơn vào cuối quá trình.