КРАТКИЙ КУРС ЛЕКЦИЙ

структурообразование

В ПИЩЕВЫХ СИСТЕМАХ

ВОРОНЕЖ

2012

Глава I. Общие сведения

О ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ

1.1 Основные свойства дисперсных систем

К основным свойствам дисперсных систем относятся гетерогенность, большая удельная поверхность, большая нескомпенсированная поверхностная энергия.

Гетерогенность. Дисперсные системы состоят из двух и более фаз, одна из которых раздроблена (рис. 1.1).

Р аздробленную (прерывную) часть дисперсной системы называют дисперсной фазой 1, а нераздробленную (непрерывную) – дисперсионной (сплошной) средой 2.

Необходимым условием образования дисперсной системы является нерастворимость или ограниченная растворимость дисперсной фазы в дисперсионной среде.

Дисперсные системы с частицами одинакового размера называют монодисперсными, различного – полидисперсными.

Реальные системы, как правило, полидисперсны.

Дисперсные системы широко распространены в природе и технике: нефть, лаки, краски, дым, природные водоемы. К дисперсным относится большинство продуктов и полуфабрикатов пищевой промышленности: молоко, масло, пиво, крупы, майонез, хлеб, фарш и др.

Дисперсные системы, в которых частицы дисперсной фазы имеют размер 10^-9 - 10^-7 м (1-100 нм), называют коллоидными системами, или коллоидными растворами.

Большая удельная поверхность. Количественной характеристикой межфазной поверхности дисперсных систем служит удельная поверхность S_уд – площадь раздела фаз S, приходящаяся на единицу массы m или единицу объема V дисперсной фазы:

, м^-1 или , м²/г.

В монодисперсных системах удельная поверхность зависит от характерного размера частицы а:

,

где k – коэффициент, зависящий от геометрической формы частиц.

Так, для частиц кубической формы с ребром а

,

сферической формы с радиусом r

.

Величина, обратная характерному размеру, называется дисперсностью D:

.

Из приведенных соотношений видно, что, чем меньше характерный размер частиц дисперсной фазы, тем больше удельная поверхность и дисперсность. Так, для частиц кубической формы уменьшение ребра от 1 м до 10^-9 м вызывает увеличение удельной поверхности с 6 до 610⁹ м^-1.

Большая нескомпенсированная поверхностная энергия. Различие состава соприкасающихся фаз и характера межмолекулярных взаимодействий в них обусловливает возникновение нескомпенсированной поверхностной энергии, значение которой прямо пропорционально удельной поверхности раздела.

Для частиц, находящихся в объеме жидкой фазы, силы межмолекулярного взаимодействия симметричны, равнодействующая их равна 0 (рис. 1.2).

Частицы, расположенные на поверхности, взаимодействуют как с однородными частицами, так и с частицами другого рода.

В системе жидкость-газ (рис. 1.2) притяжение со стороны молекул газа слабее притяжения со стороны молекул жидкости. В результате асимметричности силового поля возникает результирующая сила, направленная внутрь более плотной фазы (жидкой). Эту силу часто называют внутренним давлением. Чем сильнее различаются межмолекулярные взаимодействия в граничащих фазах, тем больше внутреннее давление. Для жидкостей на

границе с воздухом внутреннее давление очень велико, например, для воды оно составляет 14800 атм. Поэтому плотность капельных жидкостей практически не изменяется при увеличении внешнего давления. Такие жидкости называют несжимаемыми.

Нереализованная способность к взаимодействию со стороны одной из фаз (в данном случае газовой) характеризует свободную поверхностную энергию G_пов, которая и обусловливает течение различных поверхностных процессов.

Общая поверхностная энергия системы определяется поверхностью S и удельной поверхностной энергией , называемой поверхностным натяжением:

G_пов = S.

Поверхностное натяжение – это работа термодинамически обратимого процесса образования единицы площади новой поверхности при постоянных температуре, давлении и составе жидкости.

Для образования новой межфазной поверхности необходимо перевести часть молекул из объема жидкости в поверхностный слой, затратив при этом работу против внутреннего давления, стремящегося втянуть молекулы поверхностного слоя внутрь фазы, т.е.

,

где А_обр – термодинамически обратимая работа; она отрицательна, так как совершается над системой.

При p, T = const

-A_обр = dG,

где G – свободная энергия Гиббса,

.

Новая поверхность образуется тем легче, чем меньше поверхностное натяжение. Например, образование пены, сопровождающееся ростом межфазовой поверхности, протекает значительно легче в растворах моющих средств, чем в чистой воде, имеющей большое поверхностное натяжение.

Поверхностное натяжение позволяет поверхности воды выдерживать вес водяного паука, а пауку шагать по ней.

Поверхностное натяжение на границе двух конденсированных фаз называет межфазным. Оно образуется на поверхности раздела двух взаимно нерастворимых жидкостей, твердого тела с жидкостью и двух твердых тел и обозначается соответственно _ж-ж, _т-ж, _т-т.

Поверхностное натяжение с ростом температуры снижается. Это связано с повышением давления насыщенного пара и уменьшением нескомпенсированности межмолекулярного взаимодействия. При 293 К поверхностное натяжение воды составляет 72,75 мДж/м²; поверхностное натяжение подсолнечного масла (33 мДж/м²), сырого молока (45-60 мДж/м²), сухих вин (46-52 мДж/м²) существенно ниже воды.

Согласно принципу минимума свободной энергии, любая фаза стремится уменьшить свою поверхностную энергию. Поэтому текучие системы принимают форму с минимальной поверхностью фазы при заданном объеме – форму сферы.

Влияние кривизны поверхности. Кривизна поверхности Н равна половине производной площади поверхности по объему

.

Для тела сферической формы с радиусом R H = 1/R. Кривизна плоской поверхности равна нулю, радиус кривизны – бесконечности. С ростом кривизны поверхности радиус кривизны уменьшается.

Кривизна может быть положительной и отрицательной. Кривизна положительная, если центр ее находится внутри фазы; если центр ее вне фазы, то кривизна отрицательна.

Кривизна поверхности влияет на физико-химические свойства. Так, давление насыщенного пара над вогнутой поверхностью меньше, чем над плоской, т.е. над вогнутой поверхностью пар конденсируется при более низком давлении.