Глава 2: Основы химической термодинамики.
2.1. Содержание и основные
понятия термодинамики
Химическая термодинамика - изучает изменения энергии в результате процессов в материальных системах, приводящих к изменению состава и свойств физических тел, из которых построена данная система.
2.2. Теплоемкость
В общественном питании такие показатели, как теплоемкость, температуропроводность, теплопроводность, необходимы при расчетах процессов тепловой и холодной обработки мяса, рыбы, овощей, а также для создания специального технологического оборудования. Удельная теплоемкость продукта зависит от его состава, в частности от содержания воды и сухих веществу. Различные ткани мяса имеют разные значения удельной теплоемкости:
Дж/(кг-К):
Сухие вещества мышечной ткани: 1,68
Мышечная ткань: 3,48
Жировая ткань (содержащая 20—30% воды): 2,97
Плотная кость: 1,25
Пористая кость: 2,97
Жирное мясо: 2,97
Теплоемкость мяса (без костей) может быть определена в зависимости от содержания в нем воды, сухих веществ, жиров и их теплоемкости при данной температуре; так, теплоемкость животных жиров колеблется в пределах от 1,25 до 1,7 ДжДкгК). Теплопроводность мяса зависит не только от его состава, но и от направления теплопотока относительно длинной оси мышечных волокон. Теплопроводность мышечной ткани в направлении, параллельном волокнам, составляет около 0,88 теплопроводности в направлении, перпендикулярном волокнам. Коэффициент теплопроводности мышечной ткани в среднем 1.8 Вт/(м2К); жировой ткани — около 5,8 Вт/(м2 • К); нежирного мяса — около 2,0 Вт/(м2 • К). Теплоемкость мяса рыбы при температурах от 0 до 30 °С составляет: от 12,95 до 7,54 кДж/(кг-К) для жирных видов, от 3,2 до 2.9 кДж/(кгК) для тощих. При высоких температурах, вызывающих изменение физико-химических свойств белковых веществ, теплоемкость рыбы несколько увеличивается, а при температурах ниже 0 °С — уменьшается. Чем больше объемная масса продукта, тем выше коэффициенты температуры и теплопроводности. Зависимость между объемной массой и указанными выше коэффициентами для измельченного рыбного фарша, фарша в брикетах и котлетной массы дана в таблице:
Продукт |
Объемная масса, кг/м |
Коэффициент при / = 50 °С |
|
температуропроводности, м/с |
теплопроводности, (ВтДмК) |
||
Измельченный фарш |
940 |
197 |
0,58 |
Фарш в брикетах |
980 |
200 |
0.62 |
Котлетная масса |
1020 |
220 |
0.72 |
2.3. Действие закона термодинамики
В общественном питании основу технологических процессов пищевых производств составляют законы сохранения энергии и массы. В соответствии с общим законом сохранения энергии количество энергии, введенной в процесс (приход), равно количеству выделенной энергии (расход). В соответствии с законом сохранения массы масса поступающих на проведение процесса веществ равна массе веществ, получаемых в результате проведения процесса, и их потерь. Основное уравнение материального баланса имеет вид:
Gа=Gпол+Gпот
где Ga — масса поступающих на проведение процесса веществ, кг;
СПШ1 — масса веществ, получаемых в результате проведения процесса,
кг; <7ПОТ — масса потерянных при проведении процесса веществ,
кг.
Теплота, необходимая для проведения процесса, расходуется на увеличение энтальпии системы, которое сопровождается повышением ее температуры. Для процессов, происходящих в изобарных условиях (давление постоянно) и протекающих без изменения агрегатного состояния, справедливо уравнение:
dH=dQ=cdt
где йН— приращение энтальпии системы, Дж/кг; UQ— подводимая
к единице массы системы теплота, Дж/кг; с—удельная теплоемкость
системы, ДжДкг-К); dt— приращение температуры системы, °С.
В общественном питании при определении энергетических затрат, расхода пара, воды, хладоагентов используют тепловые балансы. Они позволяют установить коэффициент полезного действия (кпд) теплообменных аппаратов. В основе теплового баланса лежит закон сохранения энергии и сохранения массы вещества В общем виде тепловой баланс может быть представлен следующим уравнением:
Qn=Qп+Qt+Qa+Q&
где Q„ — количество теплоты, передаваемой от ее источника, Дж;
Qn - количество теплоты, необходимой для нагрева продукта и доведения его до готовности, Дж; QT — количество теплоты, переданной теплоносителю, Дж; Q& — количество теплоты, воспринятой аппаратом, Дж; Q0 — количество теплоты, потерянной в окружающую среду, Дж.
Количество теплоты Q, воспринимаемой любым телом, в изобарном процессе зависит от массы тела G и приращения его энтальпии
АН, Дж/кг:
Q=GAH
В свою очередь энтальпия, или теплосодержание тел, которые не изменяют при теплообмене своего агрегатного состояния, при постоянном давлении равна произведению теплоемкости тела на его температуру:
H=ct
Количество теплоты для нагрева и доведения продукта до готовности
определяют по формуле:
Q
=Qн+Qr=Gп(Hк+Hн)+Dвr=Gп(скtк-снтн)+Dвr
где QH - количество теплоты, необходимой для нагрева продукта,
Дж; Qv — количество теплоты, необходимой для доведения его до
готовности, Дж; Gn — масса продукта, кг; НК,НН — соответственно
конечная и начальная энтальпия продукта, Дж/кг; Д, — количество
образовавшегося (вторичного) пара, кг; г — теплота парообразования,
Дж/кг; с, сн — соответственно конечное и начальное значения
удельной теплоемкости продукта, Дж/(кг-К); tH — соответственно
конечная и начальная температуры продукта, °С. Если кипения не
происходит, сомножитель ск4 — сн/^ в формуле равен нулю. В общественном питании период нагрева среды, в которой находится продукт, до конечной температуры или до температуры готовности продукта называют периодом разогрева. Он проходит
как неустановившийся период тепловой обработки. Период доведения
продукта до кулинарной готовности при неизменной температуре среды, в которой он находится, называют периодом установившегося теплообмена; этот период не является стационарным, так как температура продукта продолжает изменяться.Количество теплоты, необходимой для нагрева теплоносителя, опоелеляют по Формуле
Qt=Gt(Cт.к tт.к - Ст.н tт.н)
где GT — масса теплоносителя, кг; сТК, сТН — соответственно конечное
и начальное значения удельной теплоемкости теплоносителя,
ДжДкгК.); ty к, tT H — соответственно конечная и начальная температуры
теплоносителя, °С.
Аналогичный вид имеет формула для определения количества теплоты, необходимой для нагрева аппарата. В ней только используются показатели массы, теплоемкости и температуры самого аппарата. Потери в окружающую среду определяют по формуле
Q0 = aSAtx,
где Q0 - количество теплоты, потерянной в окружающую среду,
Дж; а — коэффициент теплоотдачи от аппарата к окружающей
среде, Вт/ (м2-К); S— поверхность аппарата, м2; At — средняя разность
температур между аппаратом и окружающей средой, °С; х —
продолжительность теплообмена, с. Теплоту, затрачиваемую на нагрев продукта и доведение его до кулинарной готовности, можно считать полезной
При жарке жир непосредственно контактирует с греющей поверхностью и поверхностью продукта, подвергаемого жарке, выполняя роль теплоносителя. Плавление жиров как теплообменный процесс, происходящий с изменением агрегатного состояния, осложняется тем, что большинство из них не имеет определенной постоянной
температуры плавления и затвердевания, так как в состав жиров входят различные легкоплавкие и тугоплавкие жирные кислоты. При этом процесс плавления жиров длительный, поскольку они имеют очень низкое тепло и температуропроводность.
Производство почти всей кулинарной продукции на предприятиях общественного питания практически не может быть осуществлено без теплового воздействия.