Особенности действия фундаментальных законов в пищевых системах

В основе науки о технологических процессах лежат основные законы природы – закон сохранения массы и закон сохранения энергии.

Вместе с тем этой науке присущи свои специфические понятия и законы, которым подчиняются технологические процессы, последовательно превращающие сырье в продукты питания.

В основе пищевых технологий лежит сложный комплекс физико-химических, биохимических и микробиологических процессов, в результате которых и происходит превращение сырья в пищевые продукты.

Изучение многих технологических процессов позволило выявить нечто общее, характерное для всех производств. Этим общим является наличие, по крайней мере, одного из двух видов переноса на каждой стадии превращения сырья в полуфабрикат или конечный продукт. Это перенос энергии или перенос массы.

Фундаментальные законы сохранения массы и энергии, на которых основаны любые наши представления о процессах, подтверждают справедливость такого предположения. Для наглядности рассмотрим следующий пример. Возьмем какой либо аппарат, в котором осуществляется технологический процесс (рис. 3). В аппарат подается сырье в количестве Ма и Мв и технологические добавки в количестве Мс, а из аппарата выходят готовый продукт в количестве Мд и отходы производства Ме. Воспользовавшись законом сохранения массы, получим

Ма + Мв + Мс = Мд + Ме или å Мвх = å Мвых. (1)

Это уравнение будем называть материальным балансом. Из уравнения (1) видно, что в процессе производства происходит перенос массы из одних компонентов, входящих в аппарат, в другие.

Для жидкости, движущейся в потоке, изменяющем свою конфигурацию (рис.4), уравнение материального баланса (1) принимает форму уравнения неразрывности потока

w₁S₁ = w₂S₂ = w₃S_3,

где w₁, w₂ , w₃ – средние скорости движения жидкости в соответствующих сечениях;

S₁ S₂ S₃ – площади живого сечения в плоскостях 1-1; 2-2; 3-3.

Живое сечение – это сечение, заполненное жидкостью. Если при безнапорном движении в трубе наблюдается свободная поверхность движущейся жидкости, то живое сечение соответствует только площади самой жидкости. При напорном движении площадь живого сечения совпадает с площадью сечения трубы.

Рис.3. К уравнению материального Рис. 4. К уравнению неразрывности

баланса потока

Каждый компонент, входящий в аппарат и выходящий из него, вносит или выносит определенное количество энергии. Это теплота материалов, нагретых до определенной температуры (так называемая внутренняя энергия, или энтальпия) Еа, Ев, Ед и Еf, а также кинетическая энергия движущихся потоков Ес. Наконец, это любой вид энергии, сообщаемой потокам в аппарате для осуществления необходимых преобразований Епр, и необратимые потери энергии, которые возникают в результате протекания процессов, например потери теплоты в окружающую среду Епот и потери на трение при прохождении потоков через аппарат Етр (рис. 5).

Закон сохранения энергии в этом случае выразится следующим уравнением:

Еа +Ев + Ес + Епр = Ед + Еf + Епот + Етр или å Евх = å Евых (2)

Уравнение (2) получило название энергетического баланса аппарата. Очень часто в расчетах реальных аппаратов рассчитывают количество расходуемой теплоты. Поэтому уравнение (2) называют еще тепловым балансом аппарата. Заметим, что наиболее часто технологические процессы сопровождаются переносом тепловой энергии – теплоты или переносом кинетической энергии – количества движения.

Прежде чем перейти к описанию общих закономерностей любого переноса, выясним причины, по которым вещество или энергия переходят из одного компонента в другой. Но вначале обсудим причины, вызывающие распространение вещества или энергии от источника в пределах одного физического тела.

Рис. 5. К уравнению

Энергетического баланса

Движущая сила процесса

Всякий перенос вещества или энергии не совершается сам по себе. Причиной переноса является наличие в системе неравновесия.

Подобно электрическому полю, образующемуся вокруг точечного заряда в пространстве, точечный источник теплоты образует тепловое температурное поле. Это справедливо для точечного источника любого вида энергии и массы. Полем будем называть совокупность значений какой-либо величины в каждой точке рассматриваемого пространства.

Если речь идет об источнике теплоты, то температура в пространстве вокруг него зависит от положения точки и от времени:

Т = f (х, у, z, t) (4)

Если изменений температуры во времени нет, то выражение упрощается и мы говорим о стационарном поле в отличие от первого, нестационарного:

Т = f (х, у, z) (5)

Каждая точка электрического поля характеризуется своим потенциалом. Ток возникает между двумя точками поля, если потенциалы в них различны. Таким образом, движущая сила процесса есть разница потенциалов в двух точках рассматриваемого пространства.

Разность потенциалов в двух точках температурного поля есть разность температур. Аналогично в качестве движущей силы других технологических процессов выступает разность концентраций или разность химических потенциалов. В целом ряде процессов движущей силой является механическая сила.

Рассмотрим точечный источник теплоты q в плоском сечении пространства (рис.6 – схема температурного поля)). Легко представить вокруг этого источника некоторые криволинейные поверхности, вдоль которых температура остается постоянной. Пусть на поверхности А поддерживается температура

Рис. 6 Т=const, а на поверхности В – температура на DТ выше:

Т+DТ= const.

Скорость изменения температуры от поверхности А к поверхности В можно охарактеризовать отношением DТ к отрезку, на котором это изменение достигнуто. Очевидно, что наибольшая скорость достигается в направлении нормали к поверхности n.

Таким образом, отношение DТ/D n характеризует максимальную скорость изменения температуры.

Воспользуемся знаниями из математики:

Градиент – величина векторная, он показывает, что температура увеличивается в направлении к источнику, т.е. навстречу потоку теплоты. Для трехмерного пространства с осями х, у, z градиент записывается уравнением

Подобным образом для характеристики поля концентрации С для одного направления

А для пространства

Понятие «градиент» является универсальным для характеристики любого поля.