2.3. Закономерности развития технологических систем

1. Технологические системы должны отвечать закону равновесия, включающему требование сохранения массы и энергии.

2. Применительно к тепловым процессам закон сохранения энергии, выведенный великим М.В. Ломоносовым, известен как первый закон термодинамики, провозглашающий, что теплота и работа эквивалентны друг другу и могут взаимно превращаться, т.е.

q = A×L

где q - количество теплоты, превращенной в работу, на единицу массы рабочего тела, ккал/кг;

А - тепловой эквивалент работы, А = 1/427 ккал /кгм (величина 1/A = 427 кгм/ккал - механический эквивалент теплоты);

L - работа, полученная в результате превращения q.

Для выведения системы из состояния равновесия необходимо приложить внешнее воздействие какой-либо природы (изменение температуры, давления, концентрации и других показателей). Причем, например, все хи­мико-механические процессы разделяются на обратимые и необратимые. Необратимые происходят лишь в одном направлении (сушка, дробление, прес­сование и др.), обратимые - обычно в условиях, близких к равновесным, при которых соотношение компонентов остается неизменным, а при изменении внешних показателей, к которым относятся температура, давление, концен­трация, процесс становится обратимым, т.е. система неравновесная.

3. Влияние основных параметров технологического режима на равновесие в различных системах описывается вторым законом термодинамики. В системе, выведенной внешним воздействием из состояния равновесия, происходят изменения, направленные на ослабление воздействий, которые выводят систему из равновесия. Согласно второму закону термодинамики изменение количества тепла, сообщаемое 1 кг тела, равно или меньше произведения изменения энергии на абсолютную температуру: для обратимых процессов dg = Т×ds, для необратимых (dg < Т×ds, где dg - количество тепла, сообщаемое 1 кг тела; s - энтропия, зависящая от состояния тела и для 1 кг имеющая размерность ккал/кг; Т - абсолютная температура, К.

Таким образом, энтропия системы либо возрастает при необратимых процессах, либо остается без изменения при обратимых процессах, но не мо­жет уменьшиться. Необходимое условие обратимости - отсутствие трения, что практически невозможно.

В общем нужно отметить, что физическая или химическая системы представляют собой совокупность взаимодействующих тел в соответствии с физическими или химическими закономерностями.

4. Кинетика изучает изменение характеристик процесса во времени, т.е. скорость протекания процесса. Для описания такого изменения обычно используются дифференциальные уравнения, направления протекания процесса описываются законами термодинамики. В общем случае уравнение кинетики выражает зависимость скорости какого-либо процесса от изменения его потенциала, т.е.

V = L×X, (2.1)

где V- скорость процесса (например, изменение массы во времени);

L - кинетический коэффициент для данного процесса и компонента;

X - потенциал, показывающий степень отклонения системы от состоя­ния равновесия (градиенты концентрации, температуры, давления и т.д.)

Под кинетическим коэффициентом понимается скорость изменения при потенциале, равном единице, т.е. коэффициент теплопроводности, теп­лопередачи, константы скорости химической реакции и др.

При протекании нескольких процессов учитываются кинетические ко­эффициенты каждого из них. Например, при нагревании жидкости в емкости протекают следующие процессы в единицу времени: теплопроводность через стенку, теплоотдача от жидкости к стенке. Каждый процесс характеризуется своим коэффициентом, т.е. коэффициент теплопередачи является комбина­цией коэффициентов теплопроводности и теплоотдачи. Так как обычно в тех­нологической системе происходит несколько процессов, вызываемых дейст­вием нескольких сил, то уравнение кинетики в общем виде должно предста­вить сумму эффектов каждой силы.

Физическая и физико-химическая кинетика отражает изменения макро­скопических процессов в системах, выведенных из состояния термодинами­ческого равновесия. Она описывает тепло- и массообменные процессы, суш­ку, охлаждение, дробление, разделение и другие механические процессы.

Биологическая кинетика изучает закономерности явлений, происходя­щих в живой природе. Она включает четыре основных направления: биохи­мическую, биофизическую, микробиологическую и популяционную кинети­ку.

В зависимости от уровня изучаемой живой природы биологической системой называют совокупность взаимодействующих молекул в клетке (клеточно-молекулярный уровень), организмов, популяций (популяционный уровень) и разных популяций в окружающей среде (биогеоценоз). В фунда­ментальной науке уровни организации живого имеют следующую иерархию: ген - клетка - орган организм популяция - сообщество. Экосистема как биоценоз включает все живое (флору, фауну, микроорганизмы, Н8) и среду обитания (атмосферу, гидросферу, литосферу). С точки зрения технологиче­ской системы она существует за счет протекания биохимических процессов. Все живое характеризуется химическим составом, массой и энергией. Если последняя не накапливается, например, в процессе фотосинтеза для расти­тельного мира или переработки пищи в животном, то живой организм пре­вращается в мертвый или отмерший с протеканием процессов разложения физической природы.

Технология пищевых производств отличается от ряда других химико-технологических процессов ввиду непостоянства качественных показателей, используемых продуктов, их неустойчивости (лабильности) при высоких температурах, давлении, что в конечном итоге сказывается на производительности или продуктивности технологического процесса. Кроме того, для быстропортящихся продуктов требуется применение дополнительного оборудования - холодильников, т.е. нового звена в системе технологии.

Для пищевой промышленности наибольшее значение имеет биохими­ческая кинетика, изучающая скорость биохимических реакций, в которых важное значение имеют ферменты. Кинетические методы позволяют установить механизм ферментативного катализа. О высокой скорости протекания Биохимических процессов в живой природе свидетельствует такой пример: за сутки гусеница поедает листовую массу, в 200 раз превышающую массу самой гусеницы. В биохимических процессах обычно участвуют ферменты, играющие роль катализаторов, характерных для неживой (абиогенной) природы, т.е. они не нарушают равновесие реакции и не изменяют свою массу. При мягких физиологических условиях (рН = 7, t = 37°С) ферменты увеличивают скорость процессов в 10¹² - 10¹³ раз.