熱能傳遞的三種途徑（傳導、對流與輻射）在咖啡烘焙時的觀察

在我所見過的咖啡書當中，在討論到烘豆機的種類時，往往習慣性的會以「熱風」、「半熱風」與「直火」這幾種類型來進行討論，印象中這樣的分類方式應該是從日本那裡學來的，這樣的分類方式到底有沒有問題，我先不想在這裡討論，我想先說的是，基於這樣的分類方式所延伸出來的一個觀念：

在熱風機中，對流熱>傳導熱>輻射熱
在半熱風機中，對流熱>傳導熱≥輻射熱
在直火機中，傳導熱>對流熱≥輻射熱

以前看書上這樣寫，也很自然的跟著這樣的說法相信著，但這幾年下來，對於這樣論述上式開始產生懷疑，事情是不是真的如書上所說的那樣呢？


如果我認為是的話，就不會有這篇文章了。





依據熱力學的理論，能量無法自行產生或消滅，只能由某種型態轉變成另一種型態，也就是熱如何轉變為其他能量的關係，或是在一個系統中如何由一個平衡狀態轉變成另一個平衡。

有關所謂的「平衡」在烘豆的領域中，我們比較好觀察到的大約就是在暖機的過程中，排氣溫與豆溫的探針所得到的溫度由差很多（通常是排氣溫跑比較快）到後來慢慢的差很少甚至非常接近的狀況。至於熱的能量如何轉變成為其他能量，啊你不是已經讓生豆變成熟豆了嗎？







熱力學中有關熱傳遞（Heat Transfer）的簡單定義，簡單來說是「因為度差或溫度梯度所造成的能量傳遞」，傳遞方式同樣是那三種，但從維基百科（的說明中，我們得知：

1. 傳導：Thermal conduction is the transfer of heat in  internal energy by microscopic collisions of particles and movement of electrons within a body. The microscopically colliding particles, that include molecules, atoms and electrons, transfer disorganized microscopic kinetic and potential energy, jointly known as internal energy. Conduction takes place in all phases of solids, liquids, gases and waves. The rate at which energy is conducted as heat between two body is a function of the temperature difference temperature gradient between the two bodies and the properties of the conductive interface through which the heat is transferred.
2. 對流：Convection is the heat transfer due to the bulk movement of molecules within fluids such as gases and liquids, including molten rock (rheid). Convection includes sub-mechanisms of advection (directional bulk-flow transfer of heat), and diffusion (non-directional transfer of energy or mass particles along a concentration gradient).
3. 輻射：Thermal radiation is electromagnetic radiation generated by the thermal motion of particles in matter. All matter with a temperature greater than absolute zero emits thermal radiation. Particle motion results in charge-acceleration or dipole oscillation which produces electromagnetic radiation.

簡單的來說，經由傳導所發生的熱傳可能會發生在固體或流體（但通常是靜止狀態），比方說你把手放到冰水裡，你的手表面的溫度慢慢的傳導到相鄰的冰水中。

對流則是指熱傳是經由流體的對流所來進行，但在這裡的對流又分成兩種，一種是因為熱能造成的密度差產生浮力，進一步造成流體運動而產生的自然對流，另一種是經由外部作用力造成流體運動所形成的強制對流。

自然對流的例子如同我們小時候自然課的實驗中所觀察到燒杯裡的水，因為酒精燈的加熱所產生的流動現象。強制對流的話，就是你在夏天汗流夾背時，坐在電風扇前面讓風幫你把體表的溫度降下來的過程。

說到這裡，我們再回頭去看看剛剛那個把手放到冰手中的例子，在這個例子裡，手表面的熱傳遞到冰水裡時，我們可以說是傳導，但是如果因為你把手放到水裡引起水的流動，又因為這樣的流動讓熱傳遞到杯子裡的其他地方時，我們會說這是對流。在扣除掉擾動的因素，手附近的冰在在經過加溫之後，密度會與杯子裡其他地方的冰水不同，進而產生微小的位移，如果因為位移而產生的熱交換，那也還是算在自然對流裡。在流體中的傳導通常僅限於與物體接觸的那個面上，就像在這個手放冰手的例子裡，傳導僅限於手與冰水的接觸面那樣。

至於熱輻射，基本上只要物質的溫度高於絕對溫度就會釋放熱輻射，當然也會吸收輻射而讓自身的溫度提高，所以剛剛那個把手放到冰水的例子中，會不會有熱輻射的釋放與吸收，答案是一定會有。而且熱輻射的計算比較麻煩，吸收的物質不見得會完全吸收，要看物質的吸收率來計算，還有可能有反射與透射的情況發生……。

呃，好啦，說到這裡，應該很多人已經一個頭兩個大了，總之熱輻射不需要像傳導一樣要直接接觸，也不需要像對流一樣有介質，只要溫度高於絕對零度就好。





那麼， 在烘豆時我們能看到的是什麼呢？

咖啡生豆丟到鍋爐裡之後，經由傳導、對流與輻射的方式吸收原本系統中的熱能，一方面使生豆與整個烘豆機達成熱平衡，另一方面咖啡生豆裡產生因溫度提升而發生的物理與化學變化，截至這裡的說法是沒問題的。

暖機完成後（以我手上的Kapok 500而言，排氣溫與鍋溫的溫差在10℃以內），鍋爐的微系統內算是初步的達成平衡，當我們把室溫的生豆丟進去之後，生豆會吸收整個鍋爐中的熱能，進而與整個系統再達成新的平衡。

瓦斯燃燒的同時產生光與熱，因為風門抽風的關係，被加熱的空氣因為強制對流往鍋爐的方向移動，同時也把熱由燃燒室帶往鍋爐裡，截至這裡為止，熱傳遞的方式是對流。在傳導、對流與輻射這三種傳遞方式中，對流傳遞熱能的效率最好，同時熱空氣與生豆接觸的面積最大、時間也最長，理論上無論烘豆機的型式為何，在烘豆機運作時透過對流的方式所傳遞的熱能應該最多。

咖啡生豆與鍋壁或攪拌葉片接觸時，會有熱能經由傳導的方式進入生豆中，但因為接觸時間短，接觸的面積也小，在烘豆時咖啡生豆藉由傳導所獲得的熱能理論上較少。但是瓦斯的熱藉由熱風傳遞到整個鍋爐內部時，同時也會傳遞到生豆表面，在這個時候，生豆表面與熱風接觸的地方所發生的熱交換，應該要算是傳導。在生豆表現的熱能繼續往生豆內部傳遞的過程，當然還是傳導（如果我們把咖啡豆想像成物質的話，這樣的說法沒有問題，但咖啡豆是由細胞組成的，通常內部約有80%的水分，那麼在細胞內部的熱傳應該要算是傳導還是對流呢？）。

至於生豆與生豆之間的接觸會不會有傳導發生，理論上會，但要看生豆與生豆之間的接觸面積、溫差與接觸時間。理論上來說，生豆與生豆間的傳導所獲得的熱會比生豆與鍋爐間的少，因為我們在計算傳導熱的時候，會看溫度差與接觸面積，鍋爐的溫度往往會比生豆的溫度更高，與生豆間的溫差也較大，而生豆與生豆之間的溫差較小。

至於輻射，那就要看你用什麼尺度來看，鍋裡的生豆最主要的輻射熱來源應該是鍋爐（因為距離最近），但也可能會受到獵戶座α星的影響（理論上）。輻射基本上是以電磁波的型式存在，只要物質有因為吸收輻射產生升溫的時候，我們就能判定輻射有作用，至於是否只限定紅外線或遠紅外線？其實沒有，只要有因為吸收而加熱就算。

從整個系統來看，烘豆機內部的熱能主要的傳遞方式是對流，但推動咖啡豆產生變化的能量傳遞卻是傳導，至於輻射呢？我們只能說在理論上有，要算也算的出來，但在對流強大的效率之下，除非是像盧貝思那樣直接把遠紅外線燈具塞到鍋爐裡，其他的機型所得到的輻射熱應該理論上都差不多 。

這三種熱傳遞的方式都各自有公式可以計算，但計算方式對文組腦來說真的太複雜，老實說我也沒有遇到人家在烘豆的時候認真在算熱傳的，大部分都看曲線抓個大概就好了。






至於書上說什麼火焰接觸生豆算是傳導的說法……

對比一下技術成熟的直火機如Fuji Royal，無論你把大力開到多大，瓦斯的火焰都不會直接接觸到生豆（至於其他那些真的會接觸到的我會建議你不要用），那麼直火機還能算是直接接觸火焰嗎？

但嚴格來說火焰算是流體，流體接觸到鍋爐或生豆（呃……）時確時會有傳導的發生，我們也不能說這樣的論述方式完全是錯的，只是在火焰真的沒有直接接觸到生豆時，這樣的說法就不會成立。





當然以上也都是純粹出自於理論上的推演，畢竟我無法取得確切的計算數據，不能把這三種熱傳方式真的去比大小。

如果你們問我不同烘豆機在相同曲線下所造成的風味差異原因，我認為應該更進一步的去討論風路設計、攪拌葉片、鍋爐材質、轉速、爐頭燃燒效率或爐距之類的差異，會比較有意義。把風味差異的原因歸結於熱傳方式的不同，我覺得有點奇怪就是。



題外話，如果是相同機器、相同生豆與相同曲線，在不同地方烘焙，卻有不一樣的味道時，那可能是瓦斯、可能是環境也可能是生豆的問題，想解決只能慢慢的Debug（就是說，基本上是人對於機器掌握度的問題）。

BTW，最近開始看到有人在討論烘豆時豆芯與豆表的溫度差，我該開始感到高興了嗎？