Beim Kochen geht es darum, den Molekülen der Speisen ungeordnete Bewegung zuzuführen. Heute werden im Haushalt vier unterschiedliche Techniken angewandt, um Speisen zu erwärmen:

Technisch wird dies durch folgende Geräte durchgeführt:

 

Zur Wärmeleitung: Nach dem 2. Hauptsatz der Wärmelehre geht Energie von selbst nur von Körpern höherer Temperatur auf Körper tieferer Temperatur über. Das heißt ein Körper wird nicht von alleine heißer oder kälter, er muß mit einem heißeren Körper oder mit einem kälteren Körper in Kontakt stehen. Wenn wir einen Topf mit Wasser auf eine heiße Herdplatte stellen, dann wird der Topf und das darin befindliche Wasser heiß. Warum ? Die Herdplatte ist heißer als der Topf mit Wasser, die Moleküle der Herdplatte bewegen sich schneller, als als die Moleküle des Topfes. Dadurch, daß die Platte und der Topf miteinander Kontakt haben, und daß die schnell bewegten Moleküle der Herdplatte die gering bewegten Moleküle des Topfes anregen, wird Wärme übertragen. Streng genommen kommt es hier zu zwei Wärmeleitungsprozessen. Zuerst werden die Moleküle des Topfes angeregt und dann die Moleküles des Wassers beziehungsweise des Gargutes. Wenn sich die Moleküle nur schwer in Bewegug bringen lassen, dann werden sie als thermische Isolatoren bezeichnet (zum Beispiel Styropor oder andere Kunststoffe). Umgekehrt leiten Metalle sehr gut die Wärme und werden gerne als Kochgeschirr verwendet. Kupfer und Silber wären exzellente Wärmeleiter, aber sie eignen sich nicht für das Kochen. Kupfer kann sehr giftige Substanzen bilden und Silber (bedarf eines erhöhten Putzaufwandes) liefert mit Eiprodukten einen unangenehmen Geruch (es bildet sich H2S). Umso besser der Kontakt zwischen der Herdplatte und dem Topf oder der Pfanne ist, umso besser können die Moleküle des Topfes angeregt werden - die Wärmeleitung findet effizienter statt. Flüssigkeiten und Gase sind schlechte Wärmeleiter.

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Zur Konvektion: Dadurch, daß sich erwärmte Substanzen ausdehnen und dabei etwas größer werden (Volumsänderung), steigen sie auf. Warme Luft (mit einer geringeren Dichte) befindet sich in einem Zimmer immer oben, während die kalte Luft (mit einer größeren Dichte) sich in Bodennähe befindet. Wenn ein Topf Wasser erwärmt wird, steigt das warme Wasser nach oben. Dort kann es über zwei Wege auskühlen. Das Wasser kann an der Oberfläche verdampfen (-> Kühleffekt) beziehungweise der obere Bereich des Topfes ist etwas kühler (Strahlungseffekte). Das Wasser wird wieder abkühlen und auf der Seite zum Bodentopf hin absinken. Dadurch kommt es zu einer Bewegung, die wärmere und kühlere Bereiche vermengt. Ohne diese Bewegung kann die Flüssigkeit nur sehr schwer erwärmt werden, da Flüssigkeiten schlechte Wärmeleiter sind. Wenn eine Flüssigkeit nur gering viskos ist (Gulasch oder eine eingedickte Suppe) muß die Vermengung der heißen mit den kalten Bereichen künstlich vorgenommen werden (umrühren), sonst brennt das Gulasch an. Der Topfboden ist heiß, der Rest ist kalt. Die Konvektion wird noch durch Dampfbläschen unterstützt. Wenn eine Temperatur von über 100°C am Bodentopf erreicht wird, entstehen Dampfbläschen, die nach oben steigen und damit zu einer zusätzlichen Verwirbelung der Flüssigkeit führen.

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Zur Wärmestrahlung: Diese Form der Strahlung können wir nicht sehen, wie das normale Licht. Dennoch gibt es keinen wesentlichen Unterschied zwischen der Wärmestrahlung (infrarotes Licht) und dem sichtbares Licht. Wenn sich elektrische Ladungen beschleunigt bewegen (seien es Elektronen oder Ionen), entsteht elektromagnetische Strahlung. Diese Strahlung überträgt Energie. Zum Beispiel ist die Energie für blaues Licht höher, als für rotes Licht. Wenn sichtbares Licht unser Auge trifft, dann werden in unserem Auge einzelne Moleküle gespalten und die nachgeschaltenen Rezeptoren reagieren darauf. Unser Auge reagiert nicht auf Wärmestrahlung (aufgrund der zu geringen Energie der Wärmestrahlung). Die Moleküle im Augeninneren benötigen eine höhere Energie. Dennoch können wir Wärmestrahlung mit unserem Körper feststellen. Wenn eine Herdplatte eingeschaltet ist und wir mit den Fingerkuppen in die Nähe dieser Wärmequellen gelangen, dann spüren wir eine Erwärmung der Haut (ACHTUNG: Es benötigt ein paar Sekunden, bis unser Körper die Wärme registriert, also die Finger nur sehr langsam an die Wärmequelle heranführen). Die Wärmestrahlung hat nur eine untergeordnete Bedeutung für das Kochen - mit einigen speziellen Ausnahmen. Das Problem besteht darin, daß die Strahlung stark mit der Entfernung abnimmt (siehe am Beispiel der Finger) und nur in die Oberfläche des Garguts eindringt. Allerdings kann die Wärme von der Oberfläche durch die Wärmeleitung ins Innere eindringen.

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Zu Mikrowellen: Die Mikrowellen sind genauso elektromagnetische Wellen, wie sichtbares Licht oder Wärmestrahlung. Diese Form der Wellen können wir mit unserem Körper überhaupt nicht registrieren. Die Mikrowellen, die in den Mikrowellenherden verwendet werden haben eine Wellenlänge von 12.25 cm. Das ist ziemlich groß. Diese Wellen reagieren mit Wasser. Wenn solche Mikrowellen auf Wassermoleküle treffen, beginnen die Wassermoleküle zum Rotieren und zum Schwingen. Dadurch wird die Geschwindigkeit der Wassermoleküle erhöht und die Temperatur steigt. Die Wellen dringen tief in das Gargut ein, das heißt sie reagieren nicht mit der Oberfläche. So kann das Gargut von Innen erwärmt werden. Mikrowellen verhalten sich genauso wie sichtbares oder infrarotes Licht. Sie können von geeigneten Materialien reflektiert werden, dies sind insbesonders Metalle. Umgekehrt können Mikrowellen auch bestimmte Substanzen durchdringen, ohne diese Substanzen zu erwärmen. Alle Nichtleiter, wie Kunststoff oder Porzellan stellen kein Hindernis für Mikrowellen dar (ACHTUNG: Es gibt Porzellanfarben, die metallische Substanzen enthalten und der Kunststoff sollte höhere Temperaturen aushalten. Wenn das Gargut heiß wird, kann über die Wärmeleitung der Kunststoff erwärmt werden).

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Der Herd

Wir unterscheiden mehrere Arten von Herde: Elektroherde und Gasherde. Weiters müssen wir unterscheiden zwischen den unterschiedlichen Arten von Herdplatten und unterschiedlichen Arten von Backrohren. Es ist möglich, daß über unterschiedliche physikalische Methoden Wärme erzeugt und übertragen wird.

Betrachten wir eine gewöhnliche - elektrisch betriebene - Herdplatte. Im Inneren der Herdplatte sind elektrische Widerstände (sogenannte Heizdrähte) eingearbeitet. Wenn nun Strom durch diese Drähte hindurchgeleitet wird, dann erwärmt sich der Draht aufgrund des elektrischen Widerstandes und die Herdplatte wird heiß. Es sind deshalb mehrere Widerstände in einer Platte, damit die Temperatur geregelt werden kann. Die Wärmewirkung ist von der Stromstärke abhängig und nicht von der Spannung. Es entsteht natürlich auch Wärmestrahlung, die aber praktisch kaum einen Einfluß auf die Erwärmung eines Topfes hat. Wenn die Stromstärke weiter ansteigt, beginnen die Widerstände zu leuchten. Bei einer Herdplatte benötigt dies ziemlich viel Zeit (ACHTUNG: Wenn man eine Platte auf höchster Leistung mindestens 30 Minuten eingeschaltet läßt, ohne Topf, dann kann man im Dunkel der Küche die Herdplatte rotglühend erkennen (rund 800°C). Dieses Experiment sollte man nicht durchführen, da man eine Zerstörung der Herdplatte riskiert). Aber an einer Glühbirne kann man die Wirkung des Stroms auf einen metallischen Leiter und die dadurch entstehende Wärme gut demonstrieren. Die Glühbirne besitzt aber einen wesentlichen Unterschied zur Herdplatte: Zwischen der Glühwendel und dem Glaskolben ist verdünntes Gas. Dieses Gas leitet die Wärme der Glühwendel nur schlecht - man kann aber gut die Wärmestrahlung fühlen. Bei der Herdplatte ist der thermische Kontakt eindeutig besser ausgeprägt. Auch sind die Widerstände der Herdplatte aus einem dickeren Draht. Dadurch steigt die Lebensdauer der Herdplatte beträchtlich an.

Wie verursacht der elektrische Strom eine Wärmewirkung ? Die Erwärmung des Widerstandes (Drahtes) ist eine Folge der Bewegung der freien Elektronen verursacht durch den elektrischen Strom. Die Elektronen stoßen mit den Atomen des Metalls zusammen und und die Atome werden zum Schwingen angeregt. Damit steigt die Geschwindigkeit der Atome an - die Temperatur wird erhöht. Welches Metall für die Heizdrähte verwendet wird, hängt stark von der gewünschten Temperatur ab. Für Temperaturen bis 500°C verwendet man Nickelin (eine Legierung aus Nickel und Kupfer). Eisen ist nicht geeignet, da es bei höheren Temperaturen oxydiert und damit zerstört wird.

Über diese Heizdrähte wird auch das elektrische Backrohr erwärmt. Auf der Ober- und Unterseite des Backrohrs befinden sich sogenannte Heizwendeln (bestehen aus den Heizdrähten). Über den Schalter kann sowohl die Ober- beziehungsweise die Unterseite oder beide eingeschaltet werden. Dadurch ist es möglich Speisen unterschiedliche zu erwärmen. Praktisch hat dies aber weniger Bedeutung als viele vermuten. Man muß sich die Frage stellen, wie zum Beispiel der Braten erwärmt wird ? Viele glauben, daß die Wärmestrahlung im Backrohr zu einer Erwärmung des Braten führt. Aber die Wärmestrahlung ist sehr stark von der Entfernung abhängig. Dies wäre äußerst ineffizient - und es benötigt relativ lange bis eine Kruste entsteht. Im Backrohr wird die Wärme über den Wasserdampf übertragen. Praktisch alle Rezepte für einen Braten erfordern etwas Wasser, das man in die Bratpfanne gibt, oder das vom Gargut abdampft. Dieses Wasser wird über Wärmeleitung durch den Backrohrrost und zu einem geringen Anteil über die Infrarotstrahlung erwärmt. Wenn sich genügend Wasserdampf gebildet hat, wird über diesen Wasserdampf die Wärme zwischen den heißen Wänden und dem kälteren Braten ausgetauscht (über die Kondensation: heißer Dampf an den kalten Braten). Deshalb sollte man immer, wenn man ein Backrohr öffnet, auf den entweichenden Dampf achten. Umgekehrt sollte man das Backrohr nicht unnötig öffnen, da dadurch der Dampf entweicht und es wieder einige Zeit benötigt, bis sich ausreichend neuer Dampf bildet. Der Dampf unterliegt den Gesetzen der Konvektion. Das Problem besteht nun darin, daß das Backblech den Austausch zwischen der Ober- und Unterseite verhindert.

Beim Heißluftherd wird nun diese Umschichtung zwischen dem heißen und dem kalten Dampf im Backrohr zusätzlich herbeigeführt. Ein kleiner Ventilator im Inneren des Backrohrs sorgt dafür, daß die Luft respektive der Dampf in Bewegung gerät. Dadurch kommt es zu einer besseren Durchmischung und damit kommt es zu einem besseren Wärmeübertrag. Durch diese bessere Vermengung der heißen Luft (Dampf) können mehrere Backbleche gleichzeitig eingeschoben werden. Die Wärme wird besser verteilt.

Beim Gasherd wird über chemische Energie das Bratgut beziehungsweise der Topf erwärmt. Das Gas verbrennt unter kontrollierten Bedingungen mit dem Sauerstoff. Dabei entstehen sehr hohe Temperaturen - man kann die Flamme sehen (wenn auch schwach). Durch die chemische Reaktion werden die Gasmoleküle zur Bewegung angeregt, diese Bewegung wird auf den Topf übertragen und damit steigt die Temperatur des Topfes an. Natürlich ist die Verwendung von Gas gefährlich, aber durch verschiedene Schutzmechanismen konnte man die Gefahren eindämmen. Am gefählichsten waren früher Gasexplosionen, die dadurch entstanden sind, daß Gas aus dem Herd ausgeströmte. Man wollte etwas kochen, drehte den Gashahn für die Herdplatte auf, entzündete das Gas und wartete bis der Topf heiß wurde. Es konnte aber passieren, daß die Gasflamme durch einen Windstoß ausgeblasen wurde und weiterhin Gas in den Raum strömte. Ein kleiner Funke und es gab eine Gasexplosion mit verheerender Wirkung. Heute ist dies nicht mehr möglich. Ein Sicherheitsventil sorgt dafür, daß sofort wenn die Flamme ausgeht, der Gaszufluß zur betreffenden Platte unterbrochen wird. Natürlich könnte eine der Zuleitungen zum Gasherd lecken. Aus diesem Grund sollte man jedes Gerät, das mit Gas betrieben wird, einmal jährlich von einem Fachman überprüfen lassen. Damit kann man alle allfälligen Gefahren ausschließen.

Der Vorteil des Gasherdes besteht in der hohen Temperatur, die in kürzerer Zeit erreicht werden kann (höhere Temperatur). Wenn man die Flamme aber etwas zurückdreht, dann sinkt auch sofort der Wärmeübertrag. Beim Elektroherd ist dies anders. Bis eine Herdplatte heiß wird, vergeht etwas mehr Zeit. Dies erklärt sich dadurch, daß zuerst die Herdplatte aufgeheizt werden muß (die entfällt beim Gasherd). Umgekehrt wird aber auch mehr Wärme in der Platte gespeichert (Wärmekapazität) und man kann die elektrische Platte schon früher ausschalten - sie wird noch einige Minuten schön heiß bleiben.

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Der Mikrowellenherd

Der Mikrowellenherd ist wohl die technische Erfindung für die Küche der letzten 2 Jahrzehnte. Mikrowellen sind, wie schon oben beschrieben, elektromagnetische Wellen, wie das sichtbare Licht. Sie regen die Wassermoleküle zum Schwingen an, wodurch Wärme entsteht. Dadurch, daß die Mikrowellen in das Gargut eindringen, können sie sehr effizient die Speisen erwärmen. Aber welche Temperaturen können mit einem Mikrowellenherd erreicht werden ? Leider nur 100°C, da nur das Wasser erwärmt wird. Zum Glück enthalten praktisch alle Speisen Wasser, das dann die übrigen Bestandteile der Nahrung erwärmt. Deshalb sollte man immer ein bißchen warten, bis sich die Wärme verteilt hat. Der Vorteil liegt klar auf der Hand, die Speisen können nicht anbrennen, aber leider entsteht keine schöne Kruste oder andere aromatische Verbindungen. Damit eine Kruste entsteht müssen mindestens 140°C herrschen. Dann kommt es zur Maillard-Reaktion. Diese Reaktion sorgt für die Brotkruste und andere wohlschmeckende chemische Verbindungen. Dabei vernetzt sich die Oberfläche des Bratens. Achtung: es gibt keine Poren die geschlossen werden könnten - dies ist ein altes Vorurteil, das auf den Chemiker Justus von Liebig zurückgeht.

Wir unterscheiden zwei Arten von Mikrowellenherden: mit und ohne Drehteller. Im Prinzip sind alle Mikrowellenherde ident konstruiert. In einem Magnetron werden Elektronen zum Schwingen angeregt, dabei entstehen Mikrowellen. Diese Mikrowellen müssen nun auf das Gargut gerichtet werden, und dabei gibt es zwei Möglichkeiten. Entweder ein dünner Strahl wird horizontal durch den Garraum gerichtet. Dabei wird aber nur ein kleiner Querschnitt der Speise durchdrungen. Wenn man nun die Speise dreht, dann wird das gesamte Gargut erwärmt (Drehteller). Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Mikrowellenstrahl auf einen rotierenden Spiegel zu richten. Dieser Spiegel befindet sich oberhalb des Garraums und die Strahlen dringen dann von oben in das Gargut ein (Mikrowellenherd ohne Drehteller).

Mit dem Leistungsschalter bestimmt man die Leistung des Mikrowellenherdes - glauben viele. Aber das ist leider so nicht ganz richtig. Wenn man einen Mikrowellenherd betreibt, dann kann man hinundwieder ein leises Summen vernehmen, das nach einigen Sekunden aufhört und später wieder beginnt. Das hängt damit zusammen, daß das Magnetron - das die Mikrowellen herstellt nur sehr schwer steuerbar ist. Also schaltet man es für einige Zeit (ein paar Sekunden) ein - der Herd beginnt zu summen, dann schaltet sich der Herd wieder aus und so weiter. Bei der vollsten Leistungsstufe schaltet sich das Magnetron nicht aus, während zum Beispiel bei der Auftaustufe das Magnetron nur selten eingeschaltet ist. Die Leistung wird indirekt über die Zeit geregelt. Damit wird es schwierig, Rezepte für unterschiedliche Mikrowellenherde miteinander zu vergleichen (z.B.: ein Herd mit 1000 Watt und mit 800 Watt). Wenn wir zum Beispiel Milch bei 500 Watt (laut Leistungsregler) erwärmen wollen, dann geht sie vielleicht nicht bei einem 800 Watt Herd über (800 Watt wirken für 16 Sekunden, dann wird das Magnetron für 10 Sekunden ausgeschaltet). Hingegen wirken bei einem 1000 Watt Herd - bei der 500 Watt Einstellung - die vollen 1000 Watt für 13 Sekunden - dann ist für 13 Sekunden Pause. Und ob 1000 Watt oder 800 Watt auf das Gargut einwirken ist ein beträchtlicher Unterschied. Natürlich kann man mit der Zeit regeln, aber man muß dabei vorsichtig sein. Wichtig wenn man einzelne Rezepte von einem Mikrowellenherd auf einen anderen Mikrowellenherd übertragen möchte.

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