Zasada działania pieca chlebowego

Spoglądając na zdjęcie mojego pieca wiele osób jest przekonanych, że dolny otwór to palenisko. W rzeczywistości mieści się tam schowek na opał. Prawdziwy piec chlebowy działa na zasadzie akumulacji ciepła. Spalanie drewna i wypiek chleba odbywa się w tym samym miejscu. Jest to komora, najczęściej zbudowana z cegieł szamotowych, których masa wynosi kilkaset kilogramów. W trakcie palenia cegły rozgrzewają się gromadząc znaczną ilość energii. Gdy już osiągną wymaganą temperaturę popiół i rozżarzone węgle zostają usunięte,a w ich miejsce trafiają potrawy przeznaczone do wypieku. Rozgrzane cegły oddają następnie ciepło. Odbywa się to głównie przez promieniowanie - to zasadnicza różnica między piecem a piekarnikiem, ale o sposobach przekazywania energii cieplnej opowiem nieco później.

Pojemność cieplna.

W piekarniku termostat uruchamia grzałki elektryczne gdy tylko temperatura spadnie poniżej ustalonej. W przypadku pieca możliwości dogrzewania już nie ma, a jednorazowo zgromadzona energia musi mu wystarczyć do końca wypieku. Z tego powodu piec powinien mieć wystarczająco dużą pojemność cieplną.
Od czego będzie zależała pojemność cieplna?  Od dwóch czynników: masy materiału z którego wykonana została komora, oraz jego ciepła właściwego. Ten drugi parametr informuje nas jak dużo energii należy dostarczyć, by podnieść temperaturę kilograma substancji o jeden stopień Kelwina (lub Celsjusza – w tym przypadku nie ma to znaczenia).

Ciepło właściwe szamotu wynosi 850 J/kgK. Pragnąc zatem podnieść temperaturę 300-kilogramów tego materiału o  250 stopni C  należy dostarczyć ponad 60 MJ energii. Wymaga to spalenia ok. 4 kg drewna olchowego. W praktyce jednak nieco więcej, gdyż należałoby jeszcze uwzględnić straty ciepła uciekającego przez komin i niedoskonałą izolację. Istnieje jeszcze jeden parametr, który ma pośredni wpływ na zdolność magazynowania ciepła przez piec. Nosi on nazwę współczynnika przewodności cieplnej λ . W naszym przypadku odpowiada on za szybkość pobierania i oddawania ciepła przez materiał, oraz gradient temperatury w ścianie. Zagadnienia te zostaną omówione bardziej szczegółowo w dziale "konstrukcja i materiały"

Przystępując do budowy pieca nie musimy oczywiście uczyć się wzorów, warto jednak zapamiętać - im więcej waży komora pieca i wyższe ciepło właściwe użytego do jej budowy materiału, tym pojemność cieplna większa.
Przyjrzymy się teraz zachowaniu dwóch pieców o podobnych wymiarach, ale znacząco różnej pojemności cieplnej. Na początek rozpalamy w piecu o niewielkiej grubości ścian komory. Z względu na małą pojemność cieplną przyrost temperatury będzie tu następował szybko i w stosunkowo krótkim czasie osiągnie on gotowość do wypieku np. pizzy. Celowo nie napisałem chleba, ponieważ  upieczenie kilku bochenków, zwłaszcza grahamowych może stanowić tu problem. Należałoby wówczas rozpocząć wypiek w wyższej temperaturze (co nie jest wskazane) , lub ograniczyć się do niewielkiej ilości pieczywa.
W przypadku pieca o dużej pojemności cieplnej wzrost temperatury w trakcie rozgrzewania następuje znacznie wolniej. Osiągnięcie gotowości wymaga też spalenia większej ilość drewna. Zgromadzona energia pozwala jednak bez obaw przystępować do wypieku chleba, a zaraz po nim czegoś jeszcze.
Zbyt duża pojemność cieplna też nie jest dobrym rozwiązaniem. Rozgrzanie takiego kolosa  będzie wymagało zużycia dużej ilości opału i zajmie sporo czasu. Po zakończeniu pieczenia znaczna część energii nie zostanie wykorzystana i w rezultacie się zmarnuje.

Tyle teorii, a jak to wygląda w praktyce? W podręcznikach z lat 50-tych ubiegłego wieku preferuje się piece domowe o ścianach z cegły szamotowej układanej „na płask”, co daje grubość ok. 12 cm. Jak pokazuje przykład mojego pieca 6-centymetrowa ściana z cegieł szamotowych, ułożonych „na sztorc”, też jest dopuszczalna - pod warunkiem zastosowania dobrej izolacji, o którą dzisiaj nietrudno.
Ilość ciepła które gromadzi mój piec przy jednokrotnym rozgrzaniu pozwala mi upiec 4 chleby i zaraz po nich 4 ciasta. Podwyższona temperatura we wnętrzu jest wyczuwalna jeszcze następnego dnia.

Metody przesyłania energii cieplnej.

Wiemy już, że ściany komory pieca akumulują ciepło uzyskane podczas spalania drewna. Teraz dowiemy się w jaki sposób jest ono przesyłane do wypieków.
Istnieją trzy sposoby przekazywania energii cieplnej: promieniowanie, konwekcja i przewodzenie. Zacznijmy od tego ostatniego. Przewodzenie ciepła ma miejsce wówczas, gdy dwa przedmioty o różnej temperaturze stykają się ze sobą. W ten sposób piecze się spód chleba, który w piecu ma bezpośredni kontakt z rozgrzanymi cegłami szamotowymi. Intensywność przekazywania energii jest w tym przypadku uzależniona od różnicy temperatur i przewodności cieplnej materiałów.  Wykorzystując przewodnictwo ciepła nie możemy niestety  upiec chleba od góry.
By tego dokonać trzeba sięgnąć po kolejny sposób przesyłania energii jakim jest promieniowanie termiczne. Mimo groźnie brzmiącej nazwy nie ma ono nic wspólnego z radioaktywnością (choć podobnie jak promieniowanie gamma jest to fala elektromagnetyczna, jednak o zdecydowanie większej długości). Źródłem promieniowania termicznego, o zróżnicowanym rozkładzie i intensywności jest każdy otaczający nas przedmiot - nawet kostka lodu. Emisję najłatwiej zaobserwować siedząc przy ognisku, kiedy ogień już zgasł, a rozżarzone węgielki świecą czerwonym światłem. Jeśli podejdziemy bliżej już z pewnej odległości poczujemy ciepło i nie jest to efekt ruchu gorącego powietrza. Dalsze przybliżanie sprawi, że będziemy je odczuwać coraz bardziej. Intensywność przekazywania energii jest tu bowiem odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości. Dwukrotne zmniejszenie dystansu spowoduje jej czterokrotny wzrost (warto o tym pamiętać dobierając wysokość sklepienia pieca).
Gdy węgielki nieco wystygną,  stracą swą barwę, ale nie oznacza to wcale, że zjawisko ustało. Trwa ono nadal, lecz emisja odbywa się w podczerwieni, będąc poza zasięgiem możliwości ludzkiego wzroku.
Jeśli w piekarniku uruchomimy górną grzałkę staje się ona źródłem promieniowania termicznego, działającego bezpośrednio na skórkę naszego chleba. Grzałka ma bardzo wysoką temperaturę, lecz stosunkowo małą powierzchnię, co nie jest zbyt korzystne. Tymczasem w piecu wygląda to dużo lepiej. Promieniowanie termiczne jest tu wszechobecne Jego źródłem jest całe sklepienie komory. W piecu rzymskim, o sklepieniu kopułowym, rozkład jest nieco bardziej wyrównany niż w piecach o podstawie prostokątnej.
Efekt działania promieniowania termicznego jest doskonale widoczny podczas pieczenia pizzy. Ciasto posiadające kremową barwę początkowo absorbuje go w mniejszym stopniu, gdyż duża część ulega odbiciu. W chwili, gdy skórka zacznie zmieniać kolor pochłania go coraz więcej, co przyśpiesza cały proces. Pizza rumieni się błyskawicznie i jest gotowa w 90 sekund.

Warto jeszcze wspomnieć o trzecim sposobie przekazywania energii cieplnej, wykorzystywanym powszechnie w piekarnikach.  Wyobraźmy sobie sytuację, gdy umieszczamy chleb w jednym z nich i włączamy grzałkę dolną. Rozgrzewa ona otaczające ją powietrze, które w wyniku różnicy gęstości kieruje się ku górze. Tam opływa nasz bochenek, przekazuje mu ciepło i po schłodzeniu opada w dół by ponownie zostać rozgrzanym. Takie zjawisko nazywamy konwekcją, a dokładniej konwekcją swobodną. Ruch powietrza (tzw. prąd konwekcyjny)  odbywa cię dość wolno, powodując nierównomierne nagrzewanie, mimo to możliwe jest upieczenie chleba od góry. W nowoczesnych piekarnikach zastosowano konwekcję wymuszoną, powszechnie znaną jako termoobieg. Grzałka nie musi już być umieszczona na dole, gdyż prąd konwekcyjny powstaje za sprawą wentylatora. Krótko mówiąc po naszym piekarniku hula gorący wiatr sprawiając, że chleb piecze się równomiernie. Eureka !  Niestety dobrej pizzy i najwyższej jakości pieczywa tą metodą nie uzyskamy.