ジュール熱

ジュール熱に関する最も基本的な公式は、一般化された電力方程式である。 $${\displaystyle P=I(V_{A}-V_{B})}$$ どこ

• ${\displaystyle P}$電力（単位時間あたりのエネルギー）は、電気エネルギーから熱エネルギーに変換される。
• ${\displaystyle I}$抵抗器またはその他の素子を流れる電流は、
• ${\displaystyle V_{A}-V_{B}}$これは素子にかかる電圧降下です。

この式の説明（${\displaystyle P=IV}$) は: ^{[ 6 ]}

素子が完全な抵抗器として動作し、電力が完全に熱に変換されると仮定すると、オームの法則を代入することで式を書き直すことができます。${\displaystyle V=IR}$一般化されたべき乗方程式に代入すると： $${\displaystyle P=IV=I^{2}R=V^{2}/R}$$ ここでRは抵抗値である。

交流回路のように電流が変化すると、

$${\displaystyle P(t)=U(t)I(t)}$$

ここで、 tは時間、Pは電気エネルギーから熱に変換される瞬間有効電力です。多くの場合、瞬間電力よりも平均電力の方が重要になります。リアクタンスがゼロの理想的な抵抗器の場合、平均ジュール加熱電力は次のようになります。

$${\displaystyle P_{\rm {avg}}=U_{\text{rms}}I_{\text{rms}}=(I_{\text{rms}})^{2}R=(U_{\text{rms}})^{2}/R}$$

ここで「avg」は1つ以上のサイクルにわたる平均（平均値）を表し、「rms」は二乗平均平方根を表します。

リアクタンスがゼロでない場合、式は修正されます。平均ジュール加熱電力は

$${\displaystyle P_{\rm {avg}}=U_{\text{rms}}I_{\text{rms}}\cos \phi =(I_{\text{rms}})^{2}\operatorname {Re} (Z)=(U_{\text{rms}})^{2}\operatorname {Re} (Y^{*})}$$

どこ${\displaystyle \phi }$電流と電圧の位相差は、${\displaystyle \operatorname {Re} }$は実数部、Zは複素インピーダンス、Y*はアドミタンスの複素共役（1/ Z*に等しい）を表します。${\displaystyle \operatorname {Re} (Z)=R}$、 そして

$${\displaystyle \operatorname {Re} (Y^{*})=\operatorname {Re} {\frac {1}{Z^{*}}}=\operatorname {Re} {\frac {Z}{|Z|^{2}}}={\frac {R}{|Z|^{2}}}}$$。

無効電力の場合の詳細については、「交流電力」を参照してください。

ジュール熱は、空間内の特定の位置でも計算できます。ジュール熱方程式の微分形式は、単位体積あたりの電力を示します。

$${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} P}{\mathrm {d} V}}=\mathbf {J} \cdot \mathbf {E} }$$

ここ、${\displaystyle \mathbf {J} }$は電流密度であり、${\displaystyle \mathbf {E} }$は電場です。導電率を持つ物質の場合${\displaystyle \sigma }$、${\displaystyle \mathbf {J} =\sigma \mathbf {E} }$そのため $${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} P}{\mathrm {d} V}}=\mathbf {J} \cdot \mathbf {E} =\mathbf {J} \cdot \mathbf {J} {\frac {1}{\sigma }}=J^{2}\rho }$$

どこ${\displaystyle \rho =1/\sigma }$は抵抗率です。これは直接「${\displaystyle I^{2}R}$「巨視的な形態の用語」

調和の場合、すべての場の量は角周波数とともに変化する。${\displaystyle \omega }$として${\displaystyle e^{-\mathrm {i} \omega t}}$複素数値フェーザ${\displaystyle {\hat {\mathbf {J} }}}$そして${\displaystyle {\hat {\mathbf {E} }}}$これらは通常、それぞれ電流密度と電界強度を表すために導入される。ジュール熱は次のようになる。 $${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} P}{\mathrm {d} V}}={\frac {1}{2}}{\hat {\mathbf {J} }}\cdot {\hat {\mathbf {E} }}^{*}={\frac {1}{2}}{\hat {\mathbf {J} }}\cdot {\hat {\mathbf {J} }}^{*}/\sigma ={\frac {1}{2}}J^{2}\rho ,}$$ どこ${\displaystyle \bullet ^{*}}$は複素共役を表します。

ジュール加熱は、食品に50～60Hzの交流電流を流すフラッシュ低温殺菌（「高温短時間」（HTST）とも呼ばれる）無菌処理です。 ^{[ 8 ]}熱は食品の電気抵抗によって発生します。^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}食品が加熱されるにつれて、電気伝導率は直線的に増加します。^{[ 3 ]}電流周波数が高いほど、酸化や金属汚染が減少するため最適です。^{[ 8 ]}この加熱方法は、抵抗特性が高いため、塩分濃度の低い媒体に懸濁した微粒子を含む食品に最適です。^{[ 4 ] [ 8 ]} 

液体マトリックスと微粒子の両方で熱が急速かつ均一に発生し、無菌処理に適した高品質の滅菌製品が生成される。^{[ 11 ] [ 12 ]}

電気伝導率が高くなると、電気エネルギーは熱エネルギーに直線的に変換され、これが加熱の均一性と加熱速度に影響を与える重要なプロセスパラメータです。^{[ 11 ]}この加熱方法は、抵抗特性が高いため、塩分濃度の低い媒体に懸濁した微粒子を含む食品に最適です。^{[ 10 ]}オーム加熱は、熱的および非熱的な細胞損傷によって微生物を不活性化する能力があるため有益です。 ^{[ 11 ] [ 13 ] [ 14 ]}

この方法は抗栄養因子を不活性化し、栄養特性と感覚特性を維持することもできる。^{[ 13 ]}しかし、オーム加熱は粘度、電気伝導率、および汚れの堆積物によって制限される。^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}オーム加熱はまだ食品医薬品局（FDA）によって商業利用が承認されていないが、この方法は調理から発酵まで多くの潜在的な用途がある。^{[ 11 ]}

連続オーム加熱システムにはさまざまな構成がありますが、最も基本的なプロセスでは、^{[ 11 ]}電流を生成するために電源または発電機が必要です。^{[ 10 ]}食品に直接接触する電極がマトリックスを通して電流を流します。^{[ 10 ]}電極間の距離は、最適な電界強度を実現するために調整できます。^{[ 10 ]}

発電機は電流を生成し、その電流は第１電極に流れ、電極間隙に配置された食品を通過します。^{[ 10 ]}食品は電流の流れに抵抗し、内部発熱を引き起こします。^{[ 11 ]}電流は第２電極に流れ続け、電源に戻って回路を閉じます。^{[ 10 ]}電極の周囲の絶縁キャップは、システム内の環境を制御します。^{[ 10 ]}

電界強度と滞留時間は、発熱に影響を与える主要なプロセスパラメータである。^{[ 11 ]}

オーム加熱に理想的な食品は、粘性があり粒子状物質を含むものである。^{[ 11 ]}

• 濃厚なスープ
• ソース
• シチュー
• サルサ
• シロップ漬けのフルーツ
• 牛乳
• アイスクリームミックス
• 卵
• 乳清
• 熱に弱い液体
• 豆乳

電気を熱に変換する効率は、塩分、水分、脂肪の含有量に依存し、それらの熱伝導率と抵抗係数によって決まります。^{[ 13 ]}粒子状食品では、粒子は電気に対する抵抗が高いため、液体マトリックスよりも早く加熱され、伝導率が一致すると均一な加熱に寄与します。^{[ 11 ]}これにより、粒子が十分な熱処理を受ける間、液体マトリックスの過熱が防止されます。^{[ 9 ]}表1は、組成と塩分濃度の影響を示すために、特定の食品の電気伝導率の値を示しています。^{[ 11 ]}高い電気伝導率の値は、製品中に懸濁しているイオン化合物の数が多いことを表しており、これは加熱速度に直接比例します。^{[ 10 ]}この値は、酸や塩などの極性化合物の存在下で増加しますが、脂肪などの非極性化合物の存在下では減少します。^{[ 10 ]}食品材料の電気伝導率は一般的に温度とともに増加し、デンプンの糊化など、加熱中に構造変化が生じると変化する可能性があります。^{[ 11 ]}食品マトリックス中のさまざまな成分の密度、pH、および比熱も加熱速度に影響を与える可能性があります。^{[ 13 ]}

オーム加熱の利点には、無菌処理、缶詰、PEFと比較して、均一かつ迅速な加熱（>1°Cs ⁻¹）、調理時間の短縮、エネルギー効率の向上、設備投資コストの削減、食品全体の同時加熱などがあります。^{[ 12 ]}体積加熱では、二次媒体から熱を伝達するのではなく、内部加熱が可能です。^{[ 9 ]}これにより、食品の構造、栄養、官能特性への変化を最小限に抑えながら、安全で高品質な食品を生産できます。 ^{[ 9 ]}熱伝達は均一で、加熱しにくい食品の領域にも届きます。^{[ 11 ]}他の加熱方法と比較して、電極への汚れの蓄積が少なくなります。^{[ 10 ]}オーム加熱は、洗浄とメンテナンスも少なくて済むため、環境に配慮した加熱方法となります。^{[ 9 ] [ 11 ] [ 12 ]}

オーム加熱による微生物の不活化は、電場による熱的および非熱的な細胞損傷の両方によって達成されます。^{[ 14 ]}この方法は、細胞膜の電気穿孔、物理的な膜の破裂、および細胞溶解によって微生物を破壊します。^{[ 11 ] [ 13 ]}電気穿孔では、イオンと分子内成分の過剰な漏出により細胞死が起こります。^{[ 13 ]}膜の破裂では、細胞膜を介した水分拡散の増加により細胞が膨張します。^{[ 12 ]}細胞壁と細胞質膜の著しい破壊と分解により細胞が溶解します。^{[ 11 ] [ 13 ] [ 14 ]}

オーム加熱では処理時間が短縮されるため、食品の栄養特性と感覚特性が維持されます。^{[ 9 ]}オーム加熱は、電気場によって酵素中の活性金属基が除去されるため、リポキシゲナーゼ（LOX）、ポリフェノールオキシダーゼ（PPO）、ペクチナーゼなどの抗栄養因子を不活性化します。 ^{[ 13 ]}他の加熱方法と同様に、オーム加熱はデンプンの糊化、脂肪の融解、タンパク質の凝集を引き起こします。^{[ 11 ]}水溶性栄養素は懸濁液中に保持されるため、液体を摂取しても栄養価が失われることはありません。^{[ 15 ]}

オーム加熱は、粘度、電気伝導率、および汚れの堆積物によって制限されます。^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}懸濁液中の粒子の密度は、処理の程度を制限する可能性があります。粘度の高い流体は加熱に対する抵抗が大きく、低粘度の製品よりも混合物が早く加熱されます。^{[ 11 ]}食品の電気伝導率は、温度、周波数、および製品組成の関数です。^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}これは、イオン化合物を加えることで増加させることができ、非極性成分を加えることで減少させることができます。^{[ 9 ]}電気伝導率の変化は、多成分食品で温度が上昇すると熱プロセスをモデル化することが困難であるため、オーム加熱を制限します。^{[ 9 ] [ 10 ]}

オーム加熱の潜在的な用途は、調理、解凍、ブランチング、皮むき、蒸発、抽出、脱水、発酵など多岐にわたります。^{[ 11 ]}これらにより、オーム加熱は、ホットフィリング用の粒子状食品の低温殺菌、缶詰前の製品の予熱、調理済み食品や冷蔵食品の無菌処理が可能になります。^{[ 10 ]}この食品加工方法はFDAによって商業的に承認されていないため、将来的な例を表2に示します。^{[ 10 ]}現在、固体食品の電気伝導率に関するデータが不十分なため、オーム加熱の高品質で安全なプロセス設計を証明することは困難です。^{[ 16 ]}さらに、C.ボツリヌス菌予防のための12Dの減少が成功したことはまだ検証されていません。^{[ 16 ]}

フラッシュジュール加熱（過渡的な高温電気加熱）は、グラフェンやダイヤモンドなどの炭素の同素体の合成に使用されてきました。さまざまな固体炭素原料（カーボンブラック、石炭、コーヒーかすなど）を約3000 Kの温度で10〜150ミリ秒加熱すると、ターボ層状グラフェン薄片が生成されます。^{[ 17 ]} FJHは、現代の電子機器に使用される希土類元素を産業廃棄物から回収するためにも使用されています。^{[ 18 ] [ 19 ]}フッ素化炭素源から、フッ素化活性炭、フッ素化ナノダイヤモンド、同心円状炭素（ナノダイヤモンドコアの周りの炭素シェル）、およびフッ素化フラッシュグラフェンを合成できます。^{[ 20 ] [ 21 ]}