El primer principio de la Termodinámica

INTRODUCCION

Este trabajo es con el fin de afianzar y profundizar sobre los conceptos de la fisicoquímica de los procesos de evaporación, secado, deshidratación osmótica y las técnicas de adición de sustancias como antioxidantes, secuestrantes, amortiguadores bases en la industria de alimentos.

Este trabajo nos brinda la posibilidad de poder armar un trabajo lógico y bien estructurado con nuestro equipo de trabajo ya que al compartir todos nuestras experiencia vividas en la investigación sobre este podemos aclarar muchas dudas sobre la utilización de cálculos, términos relacionados con la materia y empezamos a reconocer como y porque se le realizan determinados procesos a los alimentos que día a día consumimos.

EVAPORACION

la evaporación es un proceso físico por el cual una sustancia en estado liquido sólido pasa al estado gaseoso , tras haber adquirido energía suficiente para vencer la tensión superficial , diferencia de la ebullición, éste es un proceso paulatino, y no es necesario que toda la masa alcance el punto de ebullición.

Factores que influencian el índice de la evaporación

• Concentración de la sustancia que se evapora en el aire: Si el aire tiene ya una alta concentración de la sustancia que se evapora, después la sustancia dada se evaporará más lentamente.

• Concentración de otras sustancias en el aire: Si el aire se satura ya con otras sustancias, puede tener una capacidad más baja para evaporarse de la sustancia.

• Caudal del aire: Esto está en la parte relacionada con los puntos de la concentración arriba. Si el aire fresco se está moviendo sobre la sustancia toda la hora, después la concentración de la sustancia en el aire es menos probable ir para arriba con tiempo, así animando una evaporación más rápida. Éste es resultado de la capa de límite en disminuir superficial de la evaporación con la velocidad del flujo, disminuyendo la distancia de la difusión en la capa estancada.

• Concentración de otras sustancias en el líquido (impurezas): Si el líquido contiene otras sustancias, tendrá una capacidad más baja para la evaporación.

• Temperatura de la sustancia: Si la sustancia es más caliente, entonces la evaporación será más rápida.

• Fuerzas intermoleculares: Cuanto más fuertes son las fuerzas que mantienen las moléculas juntas el estado líquido, más la energía una debe conseguir escaparse.

Área superficial: Una sustancia que tiene un área superficial más grande se evaporará más rápidamente pues hay más moléculas superficiales que pueden escaparse.

La evaporación del agua es un ejemplo de cambio de fase de líquido a vapor. Los potenciales químicos de las fases α (líquido) y β (vapor) son funciones de la temperatura T y la presión P y tienen el mismo valor.

A partir de esta igualdad y empleando relaciones termodinámicas, se obtiene la ecuación de Clapeyron.

Suponiendo que la fase vapor es un gas ideal y que el volumen molar del líquido es despreciable comparado con el volumen molar de gas, se llega a la denominada ecuación de Clausius-Clapeyron que nos proporciona la presión de vapor del agua Pv en función de la temperatura T, suponiendo además, que la entalpía L de vaporización es independiente de la temperatura (al menos en un determinado intervalo).

Donde C es una constante

A continuación, se proporciona una derivación alternativa de la ecuación de Clausius- Clapeyron.

Mecanismo de la vaporización

El primer principio de la Termodinámica

Siendo Q el calor absorbido por el sistema y W el trabajo realizado por el sistema si el sistema aumenta su volumen.

Supongamos que una cantidad de calor convierte un mol de líquido en un mol de vapor sin cambio de volumen, entonces

Sin embargo, durante el proceso de vaporización hay un cambio de volumen, un mol de líquido ocupa menos volumen que un mol de vapor a la misma presión P y temperatura T. El trabajo realizado por el sistema es:

El calor que tenemos que suministrar es:

L se define como el calor latente o entalpía de vaporización, es decir, el calor necesario para que se evapore un mol de líquido a una presión constante P y a la temperatura T.

Normalmente y suponiendo que el vapor se comporta como un gas ideal, tendremos para un mol de vapor:

Finalmente, tendremos la relación

Si se calienta un líquido se incrementa la energía cinética media de sus moléculas. Las moléculas cuya energía cinética es más elevada y que están cerca de la superficie del líquido escaparán y darán lugar a la fase de vapor.

Si el líquido está contenido en un recipiente cerrado, algunas moléculas del vapor seguirán el camino inverso chocando con la superficie del líquido e incorporándose a la fase líquida.

Se establece un equilibrio dinámico, cuando el número de moléculas que se escapan del líquido sea igual (en valor medio) al número de moléculas que se incorporan al mismo. Decimos entonces, que tenemos vapor saturado a la temperatura T y la presión parcial que ejercen las moléculas de vapor a esta temperatura se denomina presión de vapor .

La presión de vapor de una sustancia depende solamente de la temperatura y no del volumen; esto es, un recipiente que contiene líquido y vapor en equilibrio a una temperatura fija, la presión es independiente de las cantidades relativas de líquido y de vapor presentes.

La temperatura de ebullición es aquella para la cual, la presión de vapor es igual a la presión exterior. La presión de vapor del agua es igual a una atmósfera a la temperatura de 100ºC

Si consideramos que la función de distribución de Boltzmann se aplica al mecanismo de la evaporación.

Donde nv y nl son el número de moles en la unidad de volumen en el vapor y en el líquido, respectivamente a la temperatura absoluta T, y es el valor medio por mol de sustancia de la diferencia entre la energía potencial de las moléculas en su fase de vapor y en su fase líquida.

Esta ecuación nos dice que y por tanto, la presión de vapor , se incrementan rápidamente con la temperatura absoluta T.

Derivando esta ecuación respecto de T, suponiendo que nl es independiente de T.

Si el vapor se comporta como un gas ideal ó

Derivando esta expresión respecto de T

o bien

Esta es una de las formas de la famosa ecuación de Clausius-Clapeyron que proporciona la pendiente de la curva, en el diagrama P-T (figura al principio de esta sección), de coexistencia de las fases líquida y de vapor en equilibrio.

El calor latente L varía con la temperatura T, pero podemos suponerlo constante en un intervalo dado de temperaturas. Integrando la ecuación diferencial, obtenemos

De este modo, haciendo una representación gráfica de en función de la inversa de la temperatura T y aplicando el procedimiento de los mínimos cuadrados, la pendiente de la curva nos proporciona el valor medio del calor latente de vaporización L en un intervalo dado de temperaturas.

DESHIDRATACION OSMOTICA (DO)

La Deshidratación Osmótica es una técnica que aplicada a productos fruti-hortícolas permite reducir su contenido de humedad (hasta un 50-60 % en base húmeda) e incrementar el contenido de sólidos solubles.

Si bien el producto obtenido no es estable para su conservación, su composición química permite obtener, después de un secado con aire caliente o una congelación, un producto final de buena calidad organoléptica.

En este proceso el fruti hortícola es puesto en contacto con una solución concentrada de alcohol, sales o azúcares, estableciéndose una doble transferencia de materia:

• Agua desde el producto hacia la solución junto con sustancias naturales (azúcares, vitaminas, pigmentos)

• y en sentido opuesto, solutos de la solución hacia el fruti-hortícola.

En consecuencia el producto pierde agua (WL), gana sólidos solubles (SG) y reduce su volumen (VR).

Complicaciones en la deshidratación osmótica:

• Existencia de dos flujos cruzados y simultáneos de materia en condiciones alejadas del equilibrio

• Encogimiento y deformación del producto

• pocas variables medibles experimentalmente (la literatura cuenta con valores de WL y SG, pocas veces de VR)

• Gran diversidad de datos experimentales diferentes condiciones de operación, soluciones y fruti-hortícolas, no todas explicitadas en literatura)

Flujo de masa durante la DO

Se considera que la membrana celular es semipermeable, con lo que sólo es posible transferencia de agua y de sales y azúcares naturales (fructosa, glucosa) a través de ella hacia el espacio extracelular (Transporte Trans-membranario Plasma-lemmático, TTP) o aún hacia una célula adyacente (Transporte Trans-membranario Simplástico, TTS).

Una vez que el agua y los constituyentes naturales alcanzan los espacios extracelulares, se transfieren hacia la solución osmótica. A

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