3. Теплофізичні властивості

Теплофізичні властивості змінюють характер і швидкість протікання процесу нагрівання або охолодження продукту. До них відноситься питома теплоємність, коефіцієнти теплопровідності і температуропровідності.

Теплоємність характеризує інтенсивність змін температури або охолодження. Питомою теплоємністю називається кількість тепла необхідного для нагрівання одиниці маси речовини на 1 ^оС. Питома теплоємність визначається за формулою

С =

де С – питома теплоємність, Дж/(кг·К);

Q – кількість теплової енергії, Дж;

M – маса тіла, кг;

Δt – перепад температур, ^оС.

На питому теплоємність значно впливають вологість, хімічний склад, структура продукту, характер зв’язку води в ньому та ін.. фактори.

Залежність між теплоємністю матеріалу і його вологістю має лінійний характер. З підвищенням температури теплоємність харчових продуктів збільшується.

Чим більше в продукті води, тим вища його питома теплоємність. Наприклад, теплоємність огірків, які містять 97 % води, близька до теплоємності води. Теплоємність використовують у розрахунках сушильних установок.

Теплопровідність – перенесення енергії від більш нагрітих ділянок про-

дукту до менш нагрітих в результаті теплового руху і взаємодії мікрочасточок.

Теплопровідність приводить до вирівнювання температури продукту. Кількість теплоти, що переноситься при цьому способі, описується законом теплопровідності Фур’є: кількість теплоти ΔQ, що передається за допомогою теплопровідності через елемент поверхні ΔF, перпендикулярний до теплового потоку, за час Δτ, прямо пропорційна температурному градієнту , площі поверхні ΔF і часу Δτ

dQ = - λ

Знак мінус у рівнянні показує, що теплота переноситься в сторону зменшення температури. Коефіцієнт λ в рівнянні Фур’є називається коефіцієнтом теплопровідності [Вт/(м·К)]

λ =

Коефіцієнт теплопровідності λ – це кількість теплової енергії, що проходить через масу продукту товщиною в 1 м на площі 1 м² за 1 годину при різниці температур у протилежних частинах в 1 ^оС.

Теплопровідність залежить від температури і вмісту вологи в продукті. При підвищенні температури, цей показник зростає. Теплопровідність багатьох харчових продуктів з високим вмістом вологи (м’яса, риби, плодів, соків та ін.) близька до теплопровідності води. Меншу теплопровідність мають рослинні олії і сипучі продукти.

Перенесення тепла у вологих матеріалах суттєво відрізняються від передачі тепла у сухих матеріалах, тому що волога впливає на теплопровідність матеріалу, у порах якого вона знаходиться, а також тісно пов’язано з безпосереднім перенесенням вологи усередині матеріалу.

Температуропровідність характеризує швидкість зміни температури продукту.

Коефіцієнт температуропровідності дорівнює кількості теплової енергії, що проходить в одиницю часу через одиницю поверхні при одиничному градієнті внутрішньої енергії. Він характеризує швидкість вирівнювання температури в різних точках температурного поля і залежить від теплоємності, теплопровідності і щільності продукту. Він визначається дослідним шляхом, або за формулою

α =

де: α – коефіцієнт температуропровідності, м²/с;

λ – коефіцієнт теплопровідності,Вт/(м·К);

С – питома теплоємність, Дж/(кг-К);

Ρ – щільність продукту, кг/м³.

Коефіцієнт температуропровідності α визначає теплоінерційні властивості матеріалу і не залежить від вологості продукту, але на теплоємність вологість впливає дуже значно.

Теплопровідність і температуропровідність харчових продуктів значною мірою залежать від ступеня їх пористості, тобто від кількості внутрішньотканинних газів, знижують коефіцієнти тепло- і температуропровідності.

Знання теплофізичних характеристик необхідні для розрахунку кількості теплової енергії для охолодження або заморожування харчових продуктів при перевезенні, зберіганні, переробці, для розрахунку зміни температури усередині сировини, тривалості термічної обробки, тобто нагрівання або охолодження.

Сорбційні властивості характеризують здатність харчових продуктів поглинати з навколишнього середовища пари води і летючі речовини.

Розрізняють 4 види сорбції:

– адсорбцію – поглинання речовин поверхнею продукту;

– абсорбцію – поглинання речовин всією масою продукту;

– хемосорбцію – хімічна взаємодія між речовиною і продуктом;

– капілярну конденсацію – утворення рідкої фази в мікро- і макрокапілярах твердих продуктів.

– десорбція – процес зворотній сорбції, визначає перехід речовин із поверхневого шару в навколишнє середовище.

Сорбція і десорбція пари і газів призводять до змін якості продукту, який може усохнути при нестачі вологи у навколишньому середовищі, набути неприємного запаху або втратити аромат при порушенні умов зберігання.

У харчових виробництвах процеси абсорбції та адсорбції спостерігаються при виробництві спирту, насиченні мінеральної води та інших безалкогольних напоїв двоокисом вуглецю, при очищенні водно-спиртової суміші в лікеро-горілчаному виробництві, при очищенні та стабілізації вин, соків та ін. напоїв.

Гігроскопічність – властивість продуктів поглинати вологу з навколишнього середовища і утримувати її капілярами і всією поверхнею, а здатність до не поглинання вологи – гідрофобність.

Гігроскопічність харчових продуктів залежить від їх структури і складу, а також від температури і вологості навколишнього середовища. Наприклад, високу гігроскопічність мають порошкоподібні харчові продукти, чай, сушені фрукти і овочі, цукор, сіль. Вміст гігроскопічної вологи в продукті залежить від відносної вологості повітря, що характеризує ступінь насичення його водяними парами.

Відносна вологість повітря – це відношення абсолютної кількості вологи в повітрі до тієї кількості, яка необхідна для його насичення при даній температурі.

W = %

де W – відносна вологість, %;

m_абс – абсолютна кількість вологи в повітрі, г/м³;

m_макс – максимальна кількість вологи в повітрі при тих же температурі і тиску, г/м³.