Tento článok sa zaoberá hmotnostnou tepelnou kapacitou mlieka, faktormi, ktoré ju ovplyvňujú, metódami merania a jej významom v rôznych aplikáciách.
Úvod
Tepelná kapacita je fyzikálna vlastnosť látky, ktorá udáva množstvo tepla potrebného na zvýšenie teploty 1 kg látky o 1 °C (alebo 1 Kelvin). Všetci dobre vieme, že tepelná kapacita vody je približne (\SI{4180}{\joule\per\kilo\gram\per\kelvin}). Tepelná kapacita mlieka je dôležitá pre rôzne účely, vrátane spracovania mlieka, skladovania a výpočtu energetickej náročnosti procesov. Ako je to ale s inými látkami, ktoré nájdeme bežne doma (mlieko, olej, ocot, puding… môžete si vybrať)?
Faktory ovplyvňujúce tepelnú kapacitu mlieka
Tepelná kapacita mlieka nie je konštantná hodnota a závisí od niekoľkých faktorov:
- Zloženie mlieka: Mlieko je komplexná zmes vody, tuku, bielkovín, laktózy a minerálnych látok. Každá z týchto zložiek má inú tepelnú kapacitu, a preto ich pomerný obsah v mlieku ovplyvňuje jeho celkovú tepelnú kapacitu. Napríklad, mliečny tuk hustotu znižuje, čo ovplyvňuje tepelnú kapacitu.
- Obsah vody: Voda má relatívne vysokú tepelnú kapacitu v porovnaní s ostatnými zložkami mlieka. Znižovania hustoty mlieka je voda. Preto mlieko s vyšším obsahom vody bude mať aj vyššiu tepelnú kapacitu. Prídavok vody do mlieka sa prejavuje zvýšením teploty tuhnutia. Rovnako sa prejaví aj prídavok takého množstva vody. zbytkov zvyškovej vody má bod tuhnutia -0 ,530 0C.
- Obsah tuku: Tuk má nižšiu tepelnú kapacitu ako voda. (Šľahačka) má smotana hustotu vody. Čím vyšší je obsah tuku v mlieku, tým nižšia bude jeho tepelná kapacita.
- Teplota: Tepelná kapacita látok sa mení s teplotou. Vo všeobecnosti, tepelná kapacita mlieka mierne rastie s rastúcou teplotou.
- Hmotnosť a objem: Hmotnosť a objem mlieka súvisia s jeho tepelnou kapacitou, pretože tepelná kapacita sa vzťahuje na množstvo tepla potrebného na ohriatie určitého množstva látky.
Meranie tepelnej kapacity mlieka
Existuje niekoľko metód na meranie tepelnej kapacity mlieka:
- Kalorimetria: Táto metóda zahŕňa použitie kalorimetra, zariadenia, ktoré meria množstvo tepla uvoľneného alebo absorbovaného počas fyzikálneho alebo chemického procesu. V kalorimetri prebieha tepelná výmena medzi kvapalinou a výhrevnou špirálou. Výsledná tepelná kapacita sa rovná súčtu tepelnej kapacity kvapaliny a tepelnej kapacity špirály. Zmena vnútornej energie sústavy sa rovná práci, ktorú vykonala špirála. Túto prácu, resp. príkon zmeriame wattmetrom (alebo vieme nájsť na prístroji). Ako prvú pomôcku budeme potrebovať kalorimeter. Ten môžeme zhotoviť z krabice od mlieka, molitanu (izolačného materiálu), vonkajšej krabice a veka (kúsok molitanu obalený alobalom). Ďalej potrebujeme výhrevnú špirálu s wattmetrom. Potom váhu, ktorou zmeriame hmotnosť kvapaliny (rýchlejšie a presnejšie ako cez objem). A nakoniec multimeter s funkciou merania teploty pomocou termo sondy (typ K). Kalorimeter umiestníme na váhu a vynulujeme. Následne nalejeme adekvátne množstvo vody. Pripojíme špirálu cez wattmeter do siete sledujeme rastúcu teplotu a stopujeme čas. Po vhodnom čase špirálu odpojíme. Počkáme kým sa výsledná teplota sústavy (t2) ustáli. Z nameraných hodnôt vypočítame relatívne množstvo tepla, ktoré ostalo v sústave. Môžeme spraviť na základe tohto korekciu, aby sme získali presnejšie dáta. Pri výpočte použijeme hodnoty (c{H2O} = \SI{4180}{\joule\per\kilo\gram\per\celsius}) a (c{\mathrm{Fe}} = \SI{502.4}{\joule\per\kilo\gram\per\celsius}). Postup opakujeme rovnako s inými kvapalinami (mlieko, ocot), pričom použijeme korekciu. Pri experimentoch sa môžeme dopustiť rôznych chýb merania, ktoré sa snažíme minimalizovať. V tomto prípade sme najprv merali známu hodnotu tepelnej kapacity vody a zistili, ako veľmi nepresné výsledky dostaneme. Z toho sme urobili korektúru výsledkov tepelnej kapacity látok, ktoré sme chceli namerať.
- Diferenciálna skenovacia kalorimetria (DSC): DSC je technika, ktorá meria množstvo tepla potrebného na udržanie vzorky a referencie pri rovnakej teplote počas riadeného teplotného programu. Táto metóda je presnejšia ako klasická kalorimetria a umožňuje meranie tepelnej kapacity v závislosti od teploty.
Hodnoty tepelnej kapacity mlieka
Presné hodnoty tepelnej kapacity mlieka sa líšia v závislosti od zloženia mlieka a teploty. Vo všeobecnosti sa tepelná kapacita mlieka pohybuje v rozmedzí (\SI{3800}{\joule\per\kilo\gram\per\kelvin}) až (\SI{4000}{\joule\per\kilo\gram\per\kelvin}).
Prečítajte si tiež: Kapacita a rozmery krabíc na koláče
Ďalšie vlastnosti mlieka
Okrem tepelnej kapacity existujú aj ďalšie fyzikálne a chemické vlastnosti mlieka, ktoré sú dôležité pre jeho spracovanie a kvalitu:
- Hustota: Hustota mlieka závisí od obsahu a hustoty jeho základných zložiek. vyplýva, že mliečny tuk hustotu znižuje.
- Elektrická vodivosť: Umožňujú to predovšetkým rozpustné soli v iónodisperznom stave. 213 (Ω), čo znamená, že merná elektrická vodivosť je 0,0047 siemensov. dosahuje od 0,30 do 0,56 S*m-1. choroby, najmä zápaly mliečnych žliaz. zdravotného stavu vemien. indikátorom mernej elektrickej vodivosti. stáde.
- Teplota tuhnutia: Teplota tuhnutia mlieka je teplota, pri ktorej mlieko tuhne. ukazovatele, ktoré najspoľahlivejšie informujú o zavodňovaní mlieka. MPa). sú rozdiely do 300 000 SB. do mlieka sa prejavuje zvýšením teploty tuhnutia. Rovnako sa prejaví aj prídavok takého množstva vody. teplotu tuhnutia o 0,014 až 0,017 0C. korelácia pre laktózu r = 0,365. zbytkov zvyškovej vody má bod tuhnutia -0 ,530 0C.
- Viskozita: ňou vnútorné trenie častíc kvapalín, t. j. pohybe jednej časti proti druhej. absolútnych alebo relatívnych hodnotách. relatívna viskozita surového kravského mlieka kolíše v rozpätí 1,6 - 2,1. teploty.
Výmenníky tepla a ich použitie pri spracovaní mlieka
Výmenník tepla je zariadenie, v ktorom priebežne dochádza k prenosu tepla z jedného média na druhé. Priamy výmenník tepla, v ktorom sú obe médiá v priamom kontakte. Predpokladá sa, že sa obe médiá navzájom nemiešajú. V tomto článku sa zaoberáme len nepriamymi výmenníky, t.j. takými, v ktorých nedochádza k premiešaniu médií a teplo sa prenáša cez teplovýmennú plochu. Existuje niekoľko hlavných typov nepriamych výmenníkov tepla - doskový - rúrkový - špirálový, atď. Teplovýmenná plocha v doskovom výmenníku tepla je tvorená súborom zvlnených kovových dosiek. Tie sa vyrábajú z rôznych materiálov v závislosti na kvapalinách, ktoré sa majú ohriať alebo ochladiť. Kvapaliny prúdia výmenníkom v kanáloch, ktoré sú u rozoberateľných doskových výmenníkov tepla tvorené kombináciou dosiek a gumených tesnení. V rohoch dosiek sa nachádzajú vstupné / výstupné otvory, ktorými môžu dve rôzne médiá, jedno studené, druhé teplé, pretekať do jednotlivých kanálov. Tesnenie medzi doskami pritom médiá usmerňujú. Pre návrh veľkosti doskového výmenníka tepla je nevyhnutné poznať niekoľko parametrov. Na ich základe je možné identifikovať ďalšie údaje. Prirodzené zákony fyziky vždy umožňujú energii prúdiť v rámci systému do tej doby, kýmnie je dosiahnutý rovnovážny stav. Výmenník tepla pracuje na uvedenom princípe vyrovnávania teplôt. U doskového výmenníka je teplo veľmi ľahko odovzdávané cez tenkú stenu, ktorá oddeľuje teplé médium od chladného. Sálaním - energia je prenášaná prostredníctvom elektromagnetických vĺn. Nútené prúdenie - pohyb média závisí úplne alebo čiastočne na pôsobení vonkajších vplyvov. Keď kvapalina preteká uzavretým kanálom, napr. K laminárnímu prúdenia dochádza vtedy, keď častice kvapaliny prechádzajú rúrkou v rôznych rovnobežných vrstevniciach. Tie sa vyznačujú parabolickým rýchlostným profilom s maximálnou rýchlosťou uprostred a takmer nulovou rýchlosťou na okraji. K turbulentnému prúdenia dochádza vtedy, keď nie je prietok kvapaliny usporiadaný, ale náhodný, vírivý, takže dochádza k miešaniu. Pokiaľ k turbulentnému prúdeniu dochádza v rúrke, rýchlostný profil nie je parabolický, ale takmer konštantný. Z hľadiska prenosu tepla pôjde v tomto prípade o prúdenie. Horná krivka znázorňuje zmenu teploty teplej kvapaliny pri pretekaní výmenníkom tepla, dolná krivka znázorňuje zmenu teploty studenej kvapaliny. V hornom grafe je znázornený protiprúd, v spodnom súprúd. Protiprúdne zapojenie je u doskových výmenníkoch tepla najpoužívanejšie. Pri tomto zapojení je možné kríženie teplôt na vstupe a výstupe a je možné dosiahnuť väčšie priblíženia teplôt. Súprúdové zapojenie sa používa napr. Ak sa líšia teplota dvoch telies alebo médií, teplo z telesa alebo média s vyššou teplotou sa prenesú do telesa alebo média s nižšou teplotou. Ako vyplýva z nižšie uvedeného, teplo odovzdané teplou kvapalinou sa rovná teplu prijatému studenou kvapalinou. Prietok môže byť vyjadrený dvoma rôznymi jednotkami - hmotnosťou, alebo objemom. Pri použití hmotnosti sa prietok udáva v kg/s, alebo kg/h, pri použití objemu sa prietok uvádza v m3/h, alebo l/min. Na obrázku nižšie je znázornený teplotný profil v jednom mieste steny dosky. Stredný logaritmický rozdiel teplôt (LMTD) je hybnou silou prenosu tepla vo výmenníku. Užitočným konceptom je hodnota NTU, v Alfa Laval tiež známa ako hodnota theta - θ, teda množstvo prenosových jednotiek, vyjadrujúci ako veľmi termicky náročný je prenos tepla. Niekedy sa táto hodnota označuje aj ako termická dĺžka. Čím menšia je hodnota LMTD a čím väčší je teplotný rozdiel medzi vstupom a výstupom na jednej strane, tým väčšia je hodnota NTU teda theta. Termická dĺžka opisuje náročnosť prevádzky z hľadiska teploty. Prevádzkový cyklus s vyššou theta sa normálne prispôsobuje horšie ako prevádzkový cyklus s nižšou theta. Máme dva rôzne typy dosiek - dosky s nízkou theta a dosky s vysokou theta. A. Menšia hĺbka prelisu B. Dlhšia doskaC. A. Väčšia hĺbka prelisuB. Kratšia doskaC. Kanál je medzera medzi dvomi doskami. Kanály majú buď nízku, stredne vysokú alebo vysokú theta. Tlaková strata (Δp) priamo závisí na veľkosti výmenníka tepla a obrátene. Šmykové napätie je sila prúdenia po stene dosky výmenníka tepla, ktorá je mierou turbulencie vo výmenníku.
Význam tepelnej kapacity mlieka
Znalosť tepelnej kapacity mlieka je dôležitá pre:
- Návrh a optimalizáciu procesov spracovania mlieka: Pri pasterizácii, sterilizácii, odparovaní a sušení mlieka je potrebné presne poznať tepelnú kapacitu mlieka na výpočet energetickej náročnosti týchto procesov a na návrh efektívnych zariadení.
- Skladovanie mlieka: Tepelná kapacita mlieka ovplyvňuje rýchlosť ohrievania a ochladzovania mlieka, čo je dôležité pre udržanie jeho kvality počas skladovania.
- Výpočty energetickej bilancie: Pri výpočtoch energetickej bilancie v potravinárskom priemysle je potrebné zohľadniť tepelnú kapacitu všetkých surovín a produktov, vrátane mlieka.
Prečítajte si tiež: Ako si vyrobiť tvaroh doma
Prečítajte si tiež: Ovsené palacinky pre každú príležitosť