焦耳加热

电动烤面包机的盘绕加热元件，显示红色至黄色的白炽灯

焦耳加热（也称为电阻，电阻或欧姆加热）是电流通过导体通过导体通过热量的过程。

朱勒（Joule）的第一定律（也只是焦耳法则），也在前苏联国家（Joule – Lenz Law）中也称为焦耳法律，指出，电导体产生的供暖力量等于其抵抗力和电流正方形的产物。焦耳加热会影响整个电导导体，这与从一个电交界处转移到另一个电交界处的Peltier效应不同。

焦耳加热或电阻加热用于多个设备和工业过程。将电转换为热量的部分称为加热元件。

在许多实际用途中，有：

当由于热辐射（也称为黑体辐射）引起的丝状灯泡加热时，白炽灯灯泡发光。
电保险丝被用作安全性，如果足够的电流流动融化，则通过熔化来打破电路。
电子卷烟通过焦耳加热来使丙烯甘油和蔬菜甘油蒸发。
多种供暖设备使用焦耳加热，例如电炉，电加热器，焊接熨斗，墨盒加热器。
一些食品加工设备可能利用焦耳加热：通过食物材料（用作电阻器）在食物内部释放热量。交替的电流与食物的耐药性相结合会导致热产生。较高的电阻会增加产生的热量。欧姆加热允许对食品的快速和均匀的加热，从而保持质量。由于耐药性较高，带有颗粒物的产品加热（与常规的热处理相比）。

历史

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule）于1840年12月首次出版，这是皇家学会会议记录中的摘要，这表明电流可以产生热量。焦耳将一条电线浸入固定的水中，并测量由于已知的电流在30分钟内流过电线而导致的温度升高。通过改变电线的电流和长度，他推断出产生的热量与电流的平方成正比，乘以浸没线的电阻。

在1841年和1842年，随后的实验表明，产生的热量与产生模板的伏特桩中使用的化学能成正比。这导致焦耳拒绝热量理论（当时是主导理论），而不是热的热理论（根据哪种热能是另一种能量形式）。

海因里希·伦茨（Heinrich Lenz）在1842年独立研究了电阻加热。

SI 能量单位随后被命名为Joule ，并给出了符号j 。瓦特瓦特的瓦特瓦特的单位相当于每秒一个焦耳。

微观描述

焦耳加热是由电荷载体（通常是电子）与导体主体之间的相互作用引起的。

导体的两个点之间的电势差（电压）会产生一个电场，该电场会在电场方向上加速载体，从而使它们具有动能。当带电的颗粒与导体中的准粒子发生碰撞（即在晶体的谐波近似中的典型量化的离子晶格振荡）时，能量正在从电子中转移到晶格（通过创建进一步的晶格振荡）。离子的振荡是一个典型实验中测量的辐射（“热能”）的起源。

动力损失和噪音

由于与欧姆定律的关系，焦耳的加热被称为欧姆加热或抵抗加热。它构成了涉及电加热的大量实际应用的基础。但是，在加热是当前使用的不必要的副产品（例如，电动变压器中的负载损失）的应用中，能量的转移通常称为电阻损失。电力传输系统中高压的使用是专门设计的，目的是通过相应较低的电流操作来减少电缆损失。在英国房屋中使用的环电路或环主电源是另一个例子，在该示例中，电源以较低的电流（每线，使用两条路径并行使用）传递到插座，从而减少了电线中的焦耳加热。超导材料中不会加热焦耳加热，因为这些材料在超导状态下的电阻为零。

电阻会产生电噪声，称为Johnson -Nyquist噪声。约翰逊 - 尼奎斯特噪声与焦耳加热之间存在着亲密的关系，这是通过波动散开定理解释的。

公式

直流

焦耳加热的最基本公式是广义功率方程：

在哪里

是从电能转换为热能的功率（每单位时间的能量），
电流是通过电阻器或其他元素传播的
是元件上的电压下降。

该公式的解释（）是：

（每单位时间消散的能量消散）=（每单位时间通过电阻器的电荷）×（每电荷通过电阻器的能量消散）

假设该元素表现为完美的电阻器，并且功率完全转化为热量，则可以通过代替欧姆定律来重写该公式，，进入广义功率方程：

其中r是电阻。

通过连接电池或太阳能电池板串联的电池，可以在DC电路中增加电压。

交替的电流

当电流变化时，就像在交流电路中一样，

其中t是时间， p是从电能转换为热量的瞬时功率。比瞬时力量更频繁地，平均功率更引起人们的关注：

其中“ AVG”表示一个或多个周期上的平均值（平均值），而“ RMS”表示均方根。

这些公式适用于理想电阻器，其抗性为零。如果电抗非零，则将修改公式：

在哪里是电流和电压之间的相位差，意味着实际的部分， z是复杂的阻抗， y*是入学的复杂共轭（等于1/ z* ）。

有关反应性案例中的更多细节，请参见AC功率∆0}

差异形式

焦耳加热也可以在太空中的特定位置进行计算。焦耳加热方程的差分形式可赋予每单位体积的功率。

这里，是当前的密度，并且是电场。用于电导率的材料，，，，因此

在哪里是电阻率。这直接类似于“ “宏观形式的术语。

在谐波的情况下，所有场数量随角频率变化作为，复杂的有价值的相位和通常分别针对电流密度和电场强度引入。焦耳加热然后读取

在哪里

表示复合物共轭。

输电

高架电源线将电能从电力生产商传递到消费者。这些电源线具有非零的电阻，因此受到焦耳加热，这会导致传输损失。

可以通过电压分隔器近似传输损耗（传输线中的焦耳加热）和负载（传递给消费者的有用能量）之间的功率分开。为了最大程度地减少传输损失，与负载（消费者电器的电阻）相比，线路的阻力必须尽可能小。使用铜导体可以最大程度地限制线路电阻，但是固定了消费电器的电阻和电源规格。

通常，将变压器放置在线条和消耗之间。当主电路中的高压，低强度电流（在变压器之前）转换为二次电路（变压器之后）中的低压，高强度电流时，次级电路的等效电阻变为较高和传输损失的比例减少。

在电流战争期间，与DC安装相比， AC安装可以使用变压器通过焦耳加热来减少焦点损失，而传输线的较高电压。

申请

食品加工

焦耳加热是一种闪电般的巴氏灭菌（也称为“高温短期”（HTST））无菌过程，通过食物运行50-60 Hz的交替电流。热量是通过食物的电阻产生的。随着产品的加热，电导率线性增加。较高的电流频率是最佳的，因为它可以减少氧化和金属污染。这种加热方法最适合含有悬浮在弱盐培养基中的颗粒物的食物，因为它们的耐药性高。

热量在液体基质以及颗粒物中快速而均匀地产生，产生适合无菌处理的较高质量的无菌产物。

随着电导率的增加，电能线性转换为热能，这是影响加热均匀性和加热速率的关键过程参数。这种加热方法最适合含有颗粒的食物，该食物由于其高耐药性而悬浮在含有培养基的弱盐中。欧姆加热是有益的，因为它能够通过热和非热细胞损伤使微生物灭活。

此方法还可以使抗域因子失活，从而维持营养和感觉特性。但是，欧姆加热受到粘度，电导率和结垢沉积物的限制。尽管食品药品监督管理局（ FDA ）尚未批准欧姆加热用于商业用途，但该方法具有许多潜在的应用，从烹饪到发酵。

连续欧姆加热系统有不同的配置，但是在最基本的过程中，需要电源或发电机来产生电流。电极直接与食物接触，通过矩阵传递电流。可以调整电极之间的距离以达到最佳的电场强度。

发电机会产生电流，该电流流到第一个电极并穿过放置在电极间隙中的食品。食品抵抗导致内部加热的电流流动。电流继续流到第二电极并返回电源以关闭电路。电极周围的绝缘体盖控制系统内的环境。

电场强度和停留时间是影响热产生的关键过程参数。

欧姆加热的理想食物是带有颗粒的粘性。

浓汤
调味料
炖菜
莎莎
糖浆培养基中的水果
牛奶
冰淇淋混合物
蛋
乳清
热敏感液体
豆浆

电力转化为热量的效率取决于盐，水和脂肪含量，原因是它们的导热性和电阻因子。在颗粒食品中，由于对电力和匹配电导率的耐药性更高，颗粒比液体基质更快地加热会导致均匀加热。这可以防止液体基质过热，而颗粒会接受足够的热处理。表1显示了某些食物的电导率值，以显示成分和盐浓度的影响。高电导率值代表了悬浮在产品中的较大数量的离子化合物，该化合物与加热速率成正比。在存在极性化合物（如酸和盐）的情况下，该值增加了，但随着非极性化合物（如脂肪）的降低。食物材料的电导率通常随温度而增加，如果在加热过程中引起的结构变化（例如淀粉的胶质化）可能会发生变化。食物基质中各种成分的密度，pH和比热也会影响加热率。

表1.选定食品的电导率
食物	电导率（S/M）	温度（°C）
苹果汁	0.239	20
牛肉	0.42	19
啤酒	0.143	22
红萝卜	0.041	19
胡萝卜汁	1.147	22
鸡肉	0.19	20
咖啡（黑色）	0.182	22
咖啡（黑色糖）	0.185	22
咖啡（牛奶）	0.357	22
淀粉溶液（5.5％）
（a）含0.2％盐	0.34	19
（b）用0.55％的盐	1.3	19
（c）用2％盐	4.3	19

欧姆加热的好处包括：均匀和快速加热（> 1°C ^-1 ），较少的烹饪时间，更好的能源效率，较低的资本成本以及与无菌处理相比，[（食品保存方法） |罐装）和[（脉冲电场处理| PEF）]。体积加热允许内部加热，而不是从次级培养基中转移热量。这导致生产安全，高质量的食物，对食物的结构，营养和有机植物特性的变化很小。传热是统一的，可以到达难以加热的食物区域。与其他加热方法相比，较少的结垢会积聚在电极上。欧姆加热还需要更少的清洁和维护，从而导致环境谨慎的加热方法。

欧姆加热中的微生物失活是通过电场的热和非热细胞损伤来实现的。由于细胞膜，膜破裂和细胞裂解，这种方法破坏了微生物。在电穿孔中，离子和分子内成分过度泄漏导致细胞死亡。在膜破裂中，由于水分扩散在整个细胞膜上的增加而导致细胞肿胀。细胞壁和细胞质膜的明显破坏和分解会导致细胞裂解。

欧姆加热中的加工时间减少可维持食物的营养和感觉特性。欧姆加热由于通过电场去除酶中的活性金属基团，使抗毒素因子（如脂氧酶（LOX），多酚氧化酶（PPO）和果胶酶）失活。与其他加热方法相似，欧姆加热会导致淀粉，脂肪融化和蛋白质凝集的胶合作用。在悬浮液中维持水溶性营养素，如果消耗液体，则不会损失营养价值。

欧姆的加热受粘度，电导率和结垢沉积物的限制。悬浮液中颗粒的密度可以限制处理程度。较高的粘度流体将提供更大的耐热性，从而使混合物比低粘度产物更快地加热。食品的电导率是温度，频率和产品组成的函数。通过添加离子化合物或通过添加非极性成分减少来增加这可以增加这一点。电导率的变化限制了欧姆加热，因为当多组分食品中的温度升高时，很难对热过程进行建模。

欧姆加热的潜在应用包括烹饪，融化，变白，剥离，蒸发，提取，脱水和发酵。这些允许欧姆加热以在罐装前进行热填充，预热产品，并无菌处理即食餐和冷藏食品。表2概述了前瞻性示例，因为该食品加工方法尚未获得FDA的商业批准。由于目前没有关于固体食品电导率的数据，因此很难证明欧姆加热的高质量和安全过程设计。此外，肉毒杆菌预防梭菌的成功减少尚未得到验证。

表2.欧姆加热在食品加工中的应用
申请	优点	食品
灭菌，含有大颗粒和热敏感液体的加热液体食品，无菌加工	有吸引力的外观，坚硬的特性，无蛋白质变性的牛奶的巴氏杀菌	花椰菜小花，汤，炖菜，糖浆和调味料的水果片，准备烹饪含有颗粒物，牛奶，果汁和水果泥的饭菜
固体食品的欧姆烹饪	烹饪时间可以大大减少。中心温度升高的速度比常规加热速度快得多，提高了产品的最终不育，更少的功耗和更安全的产品	汉堡馅饼，肉馅饼，切碎的牛肉，蔬菜，鸡肉，猪肉切割
太空食品和军事配给	食物加热并浪费灭菌。将食物加热到温度的能源消耗较小，可重复使用的袋子中的产品较长的袋子。具有良好质量3年的添加剂免费食物。	炖菜食品
欧姆解冻	解冻而没有增加产品的水分含量	虾块
孢子和酶的失活	为了提高食品安全并提高保质期，提高稳定性和能源效率，减少脂氧合酶和多酚氧化酶失活的时间，酶失活而不会影响风味	加工鱼蛋糕，橙汁，果汁
轻巧和提取	增强水分损失并增加果汁产量	马铃薯片，蔬菜泥从甜菜中提取蔗糖，从大豆中萃取豆浆

材料合成，恢复和加工

闪光灯加热（瞬态高温电热加热）已用于合成碳的同素异形，包括石墨烯和钻石。将各种固体碳原料（碳黑色，煤炭，咖啡渣等）加热到约3000 K的温度，可为10-150毫秒生产涡轮质石墨烯片。 FJH还被用来恢复工业废物中现代电子中使用的稀土元素。从氟化的碳源开始，可以合成氟化活性碳，氟化的纳米原子，同心碳（围绕纳米蒙德核心周围的碳壳）和氟化的闪光石墨烯。