LA
CURVA DI CONGELAMENTO
La curva di raffreddamento di una sostanza pura è un
grafico che mostra i valori della temperatura in funzione del tempo durante il
processo di raffreddamento della sostanza.
Di seguito è rappresentata la curva di raffreddamento
dell'acqua distillata mantenuta una pressione di un'atmosfera.
Iniziando a
raffreddare del vapore acqueo posto inizialmente ad una temperatura superiore
ai 100 gradi centigradi e rilevando la sua temperatura usando un termometro
posto a contatto con la sostanza, la curva di raffreddamento mostra alcuni tratti
caratteristici dal tratto A-B la temperatura del valore diminuisce fino ad
arrivare alla temperatura di 100 gradi centigradi che la temperatura di
condensazione del vapore acqueo. Per tratto B-C pur continuando a sottrarre
calore, la temperatura della sostanza non diminuisce.
Il tratto B-C corrisponde alla sosta termica è la sua
pizza dipende dalla quantità di vapore sottoposta raffreddamento e dalla
quantità di calore sottratta nell'unità di tempo. Il tratto cd continuando a
sottrarre calore dal punto C in poi la curva riprende a scendere fino a
raggiungere la temperatura di 0 gradi centigradi tratto di pur continuando a
sottrarre calore, la temperatura dell'acqua non diminuisce.
Dal punto E in poi continuando a sottrarre calore al ghiaccio la temperatura
diminuisce è importante notare che se le trasformazioni vengono fatte avvenire
alla stessa pressione la temperatura di condensazione la temperatura di
solidificazione della curva di raffreddamento corrispondono esattamente alla
temperatura di ebollizione e la temperatura di fusione della curva di
riscaldamento.
2 passaggio di fase
3 fase in cui si porta il prodotto alla temperatura di congelamento.
Durante il processo di congelamento possono essere distinte tre fasi sottrazione di calore sensibile per portare il prodotto dalla sua temperatura iniziale a quella di inizio congelamento sottrazione di calore latente che determina il cambiamento di fase di buona parte dell'acqua presente nel p rodotto sottrazione di calore.
La presenza negl'alimenti di componenti solubili determina la presenza di un intervallo di congelamento, il punto di congelamento è definito come la più alta temperatura in cui iniziano a comparire i primi cristalli di ghiaccio, la rimanente soluzione si concentra, per dare poi nuovi cristalli di ghiaccio bisogna abbassare la temperatura.
L'acqua liquida può essere presente anche a temperature molto più basse di quelle realizzate durante un processo di congelamento. Questa viene detta acqua non congelabile e può essere intorno al 10% dell'acqua totale presente nell'alimento. Importante conoscere l'acqua non congelabile ai fini dei calcoli del calore da sottrarre per il processo di congelamento.
La formazione di ghiaccio può essere considerata come l'inizio del congelamento. Immediatamente prima c'è una fase di sotto raffreddamento durante la quale inizia la formazione dei nuclei di cristallizzazione. La nucleazione è quel processo durante il quale le molecole di acqua si combinano in una struttura amorfa. La nucleazione può essere omogenea dove l'aggregazione è spontanea o eterogenea dove è promossa dalla presenza di piccole particelle e impurezze.
Dopo la nucleazione c'è la fase di cristallizzazione in cui c'è bisogno di sottrarre una certa quantità di energia per ottenere il congelamento l'ammontare di energia da sottrarre è data da diverse aliquote come indicato dalla seguente formula:
Δh = Cpu (Ti - Tf) + λ – Cpf (Tf – Tfin)
La 1°e la 3°aliquota sono calori sensibili mentre la 2° e calore sensibile per promuovere il passaggio di base. Il calore latente può essere ottenuto sperimentalmente tramite le misure calorimetriche.
Abbassamento del punto crioscopico
Per l'abbassamento del punto croscopico
consideriamo la seguente formula
λ/R ( 1/TAo – 1/TA) = Ln XA
Xa=frazione molare dell'acqua
Ta=temperatura assoluta di fusione dell'acqua pura
R= costante dei gas
λ = calore latente di fusione dell'acqua (6003 J/mole)
Ta=temperatura assoluta di fusione dell'acqua pura
R= costante dei gas
λ = calore latente di fusione dell'acqua (6003 J/mole)
La velocità di congelamento è definita come il tempo necessario a portare il prodotto dalla temperatura inizio congelamento ad una temperatura più bassa. La velocità di congelamento bassa porta alla formazione di un numero limitato di nuclei di cristallizzazione che poi danno luogo a cristalli di ghiaccio grossi e in prossimità delle pareti cellulari.
Questo problema è maggiormente visto per i prodotti vegetali.
Proprietà fisiche dei prodotti congelati
Densità
La densità dell'acqua liquida a 0 gradi centigradi è pari a 999,8 kg/m3
Mentre quella del ghiaccio alle temperature tipiche dei prodotti congelati è pari a 920 kg/m3, la densità di un prodotto congelato diminuisce e le variazioni sono nell'ordine del 10 15%.
Calore specifico
Il calore specifico dell'acqua diminuisce istantaneamente nel momento in cui l'acqua subisce il passaggio di fase, si ripercuote sulla calore specifico dei prodotti congelati.
Conducibilità termica
La conducibilità aumenta quando gli alimenti sono congelati. È una misura della resistenza al trasporto di calore, quando il calore si sposta per conduzione.
Predizione del tempo di congelamento
Questa rappresentata è una sezione di un ipotetico prodotto. Posta la temperatura del mezzo freddo TM si instaura un flusso di calore conduttivo dal prodotto all'esterno ciò dovuto al gradiente di temperatura ed un flusso di calore invettivo dalle superfici del prodotto all'interno. Non c'è solo un passaggio di calore c'è anche un passaggio di fase. Questo avviene dall'esterno verso l'interno con l'avanzamento del fronte del ghiaccio. Questo è un processo che evolve nel tempo e termina quando i due fronti si incontrano.
Per predire il tempo bisogna valutare i bilanci di energia ed il passaggio di fase esistono diversi modelli, noi utilizzeremo quello di Planck che utilizza bilancio energia transitorio.
Ci sono diversi fattori che influenzano il tempo di congelamento:
•conduttività termica del prodotto •congelato coefficiente di trasporto di
•calore convettivo tra la superficie del prodotto il mezzo freddo superficie di scambio del calore
• temperatura del mezzo freddo spessore del prodotto.
Il modello di Planck prevede alcune ipotesi semplificative:
▪ il profilo di della temperatura uniforme temperatura uguale temperatura c'è la temperatura iniziale e quella di inizio congelamento in ogni suo punto
▪ densità del prodotto congelato e non congelato uguali
▪ conducibilità termica costante fronte di congelamento che si sposta a velocità costante
▪ fronte di congelamento sufficientemente lento da poter considerare un regime pseudo stazionario.
La soluzione dell'equazione differenziale di Planck è :
tf = λ/ Tf –TM (PL/h – RL2/K)
g= densità del prodotto congelato
λ= calore latente di fusione
h= coefficiente di trasporto convettivo
K= conducibilità termica del prodotto congelato
P e R= costanti dipendenti dalla geometria del prodotto