Главная

Нужна ли вам «умная» кружка или достаточно обычной, или как быстро остывает кофе

2018-06-01 в 7:44, admin, рубрики: diy или сделай сам, DS18B20, usb-uart, кофе, Научно-популярное, пятничный пост, теплообмен, физика, физический эксперимент, электроника, Электроника для начинающих

Нужна ли вам «умная» кружка или достаточно обычной, или как быстро остывает кофе - 1

Гаджеты входят в нашу жизнь прочно и неотвратимо. Некоторые сразу находят свою нишу, некоторым требуется на это время. А есть и такие, которые нам пытаются навязать хитрые маркетологи. Кофе является одним из столпов IT. Неудивительно, что маркетинг вышел за рамки сортов кофе и типов кофе-машин.

Вот, например, статья про кружку для поддержания температуры. Идея вроде бы хорошая: устанавливать нужную температуру со смартфона, и наслаждаться напитком неограниченное время (а на самом деле вполне себе ограниченное) Но меня зацепила фраза

подсчитано, что комфортная температура сохраняется всего 37 секунд

Правда, не ясно, кем подсчитано и как. И на первый взгляд выглядит несколько неправдоподобно. Но субъективное неверие не может быть аргументом. Давайте разбираться.

Присутствует разбор имеющихся материалов и собственные измерения.

Немного теории

Автор указывает «комфортную температуру» 60-55ºС. В общем случае — это задача для закона охлаждения Ньютона:

Решение имеет вид:

$T( t )=T_{0}+ ( T_{s} - T_{0})e^{-kt};$

где $T_{s}$ — температура окружающей среды, а $T_{0}$ — начальная температура объекта, k — коэффициент теплопроводности.

Скорость остывания соответственно:

$frac{dT} {dt}=k( T_{s} - T_{0});$

Таким образом, скорость остывания прямо пропорциональна разнице температур объекта и окружающей среды. То есть максимальная скорость остывания будет сразу после приготовления (95ºС, разница 70-75ºС) а при 60ºС разница с окружающей средой составит всего 35-40ºС. Не так уж много. А чтобы кофе остыл до 55º за 37 секунд, скорость остывания должна быть 8ºС/мин.

К сожалению, k в данной формуле зависит от самой кружки, и может быть вычислен только эмпирически. Правда, поиск в интернете выдает довольно много практических работ по измерению скорости остывания кружки с водой. Например,очень близкая по цели работа.И вот ее результат:

Нужна ли вам «умная» кружка или достаточно обычной, или как быстро остывает кофе - 6

То есть, в обычном стакане скорость остывания 1,2 градуса в минуту при 60ºС. Так что говорить о 37 секундах, за которые вода остынет на 0,74º — это чистой воды маркетинговый ход. При заявленной автором «комфортной температуре» 60-55ºС время остывания составит более 4 минут.

Но такой результат (1,2ºС/мин) показался мне излишне оптимистичным. Поэтому я решил поднять свои старые эксперименты, где сравнивал скорость остывания чая и кофе.

Измерения

Для измерения температуры был использован датчик DS18B20 (производитель указывает точность 0,5º в диапазоне -10+85, датчик внесен в Госреестр средств измерения) и адаптер USB-UART на FT232 (подойтет любой USB-UART).

Нужна ли вам «умная» кружка или достаточно обычной, или как быстро остывает кофе - 7

Есть множество программ, работающих с 1-wire через RS-232. Большинство из них принимают и виртуальный com-порт. Я использовал свою программу, так как в то время мне надо было больше 2 датчиков, а бесплатные программы или демо-версии этого не позволяли.
Будем сравнивать обычную керамическую кружку и безымянную термокружку.

Нужна ли вам «умная» кружка или достаточно обычной, или как быстро остывает кофе - 8
Кружки для тестирования

Воды наливается одинаково по мерке, хотя вместимость термокружки больше.

Нужна ли вам «умная» кружка или достаточно обычной, или как быстро остывает кофе - 9
График остывания.

Остывание показано с одной точки, хотя при наливании жидкости, начальная температура различалась для разных кружек. Целевой для нас диапазон 60-55ºС. Время остывания закрытой термокружки с момента приготовления напитка до «комфортной» температуры — почти час. Без крышки — около 20 минут. И вот тут бы «умная» кружка пригодилась. Если бы были приведены хоть какие-нибудь ее характеристики. А то, если она охлаждает кофе те же полчаса, зачем она нужна?

Нужна ли вам «умная» кружка или достаточно обычной, или как быстро остывает кофе - 10
Остывание с 60 до 55ºС

Результаты

Нужна ли вам «умная» кружка или достаточно обычной, или как быстро остывает кофе - 11

Теплопотери термокружки без крышки 9 Вт на тех самых 60 ºС. Вероятно, и у упомянутой «умной кружки» теплопотери те же (так как главный вклад в потери вносит отсутствие крышки). И если батарея в кружке меньше 3 Вт•ч (и то при разрядке в ноль), то умная кружка не протянет более 20 мин. То есть не дольше закрытой термокружки.

Выводы

В обычной керамической кружке кофе остывает с 60ºС до 55ºС более чем за 6 с половиной минут, в термокружке — почти 17 мин.
Термокружка без крышки практически не имеет преимущества над обычной.
Как показали измерения, наибольший вклад дает крышка, а не стенки кружки.
Как уже было сказано в комментариях к основной статье, лучший способ — это массивная термокружжка, которая остужает напиток с 90-95ºС до комфортной температуры. Правда, для доступных материалов (метал или керамика) масса окажется слишком большой, чтобы охладить напиток именно до 60. В таком случае интересным вариантом была бы кружка с жидкостным наполнением. Напиток бы отдавал нужное количество тепла воде в стенках, а потом эта увеличенная масса жидкости дольше сохраняла нужную температуру. А если сделать возможность доливать теплоноситель, можно будет устанавливать нужную температуру.

А если вы пьете чай или кофе с молоком, то проблема первоначального охлаждения уже решена.

Так что, если в добавок к смартфону, умным часам, наушникам и прочему, вы не хотите заряжать еще и кружку(!), то массивная кружка с крышкой — ваш вариант.

Автор: REPISOT

Источник