2. Умови та закони рівноваги технологічних систем

Кожна технологічна операція є системою типових процесів – фізичних, хімічних, біологічних), в ході яких сировина або проміжний продукт поступово змінює свої характеристики. В той же час кожен з цих типових процесів можна розглядати як сукупність взаємодіючих об’єктів. Наприклад, операція миття сировини у мийній машині є системою таких взаємодій:

– взаємодія сировини з робочими органами і стінками машин;

– взаємодія окремих частин сировини між собою;

– взаємодія сировини з водою;

– взаємодія води з робочими органами та стінками машини.

В залежності від природи явищ, які відбуваються при взаємодії, розрізняють:

– фізичні системи взаємодіючих сил, коли відбуваються суто фізичні зміни;

– хімічні системи. коли взаємодії визначаються хімічними закономірностями;

– фізико-хімічні системи;

– біологічні і мікробіологічні системи;

• біохімічні системи.

Згідно з вимогами другого закону термодинаміки, будь-яка система взаємодіючих об’єктів прагне досягти такого стану, коли запас її внутрішньої енергії є мінімальним, а ентропія максимальна. Таким станом для взаємодіючих систем є стан рівноваги, при якому вплив одних факторів компенсується дією інших.

(Ентропія – це міра безпорядку в системі. Повна упорядкованість часточок у системі (наприклад, у кристалах) відповідає мінімуму ентропії, повний безпорядок – максимуму. Наприклад, ентропія водяного пару більше, ніж ентропія води, а ентропія води більше, ніж ентропія льоду).

Для технологічних систем, як сукупності операцій, стан рівноваги встановлюється, коли вихідні потоки сировини, що надходить на переробку, врівноважується вихідними потоками готової продукції та потоками втрат сировини і проміжного продукту. Рівноважний стан притаманний як окремим операціям, так і всьому технологічному процесу у цілому.

Рівновага технологічних систем є динамічним станом, тобто вона може становлюватись лише за певних умов. При зміні умов рівновага порушується, а система змінює свій стан до тих пір, доки знову не встановиться рівновага, але вже на нових змінених умовах існування системи. Для більшості фізичних, хімічних та інших систем можливість і умови рівноважного стану визначаються законом рівноваги – правилом фаз Гіббса, який описується наступним рівнянням:

S = k + n – Ф

де: S – кількість ступенів свободи системи (мінімальна кількість факторів, які можна змінювати незалежно один від одного без порушення системи);

k – кількість незалежних елементів системи;

n – кількість зовнішніх факторів, що впливають на стан рівноваги системи;

Ф – кількість фаз у системі.

Рівноважним системам, в яких може встановлюватися стан рівноваги, притаманні загальні закономірності, серед яких важливе значення мають для технології наступні:

1. Поведінка рівноважної системи обумовлюється запасом її внутрішньої енергії, який вимірюється потенціалом і рушійною силою системи.

Під потенціалом розуміють відстань, тобто віддаленість, системи в певний момент часу від її рівноважного стану. Рушійною силою є різниця потенціалів системи в початковому, або проміжному стані. Чим далі віддалена система від стану рівноваги на початку процесу, тим більший її потенціал і рушійна сила, тим з більшою швидкістю система рухається до рівноважного стану. Ця закономірність широко використовується в технології.

2. Система, яка знаходиться в стані рівноваги, сама, без зовнішнього втручання, не може змінити цей стан і буде перебувати в ньому скільки завгодно довго.

3. Щоб вивести систему зі стану рівноваги, необхідно вплинути на неї ззовні шляхом зміни параметрів системи (температури, тиску, концентрації тощо).

Оскільки стан рівноваги є динамічним, у рівноважній системі можуть відбуватись два протилежних за напрямом процеси. Один називається прямим – спрямований на досягнення рівноважного стану, а другий зворотній – спрямований на зміну рівноважного стану. Який з цих двох процесів буде переважати в певний момент часу, визначається потенціалом системи. Процеси, які можуть перебігати в обох напрямах, називають зворотними, а ті, що не мають такі властивості, – незворотними.

Більшість фізичних процесів, які мають місце в харчових технологіях – подрібнення, осадження, фільтрування, пресування, соління, коптіння, сушіння та ін., є практично незворотними, тому що при їх проведенні створюють такі умови тобто потенціал, при яких вони можуть рухатись тільки в одному напрямку. Слід відзначити, що деякі процеси навіть при жорстких технологічних режимах не проходять до кінця. Наприклад, зворотними є процеси екстрагування, кристалізації, конденсації, абсорбції. Це являється причиною суттєвих втрат або зниження виходу кінцевого продукту в деяких харчових технологіях. Зворотними є більшість хімічних процесів, тому технолог повинен шукати такі режими проведення процесу, які б дозволили зробити його максимально ефективним.