Классификация видов влаги

Группы влаги по агрегатному состоянию Подгруппы влаги, выделенные по соотношению сил Формы связи влаги с материалом по П.А. Ребиндеру
Вода в парообразном состоянии - -
    Вода в жидком состоянии Вода связанная (Fм >Fгр) Физико-химическая
Прочносвязанная
Рыхлосвязанная
Капиллярная вода (Fм Fгр) Физико-химическая + физико-механическая
Гравитационная или свободная вода (Fм<Fгр) Физико-механическая
Вода в твердом состоянии Вода, химически связанная и кристаллизационная Химическая
Вода в состоянии льда
       

 

Химически связанная вода удерживается в кристаллической структуре твердого вещества ионными и ковалентными связями. Прочность этих связей, выраженная через энергию, затрачиваемую на разрыв связей, составляет для ковалентной связи (О–Н) – 461,3 кДж/моль, и действуют они на расстоянии 0,1-0,2 нм. Удаляется эта влага из продукта прокаливанием или в результате химических реакций. Обычно при сушке химически связанная вода не удаляется. Она резко отличается по своим свойствам от свободной.

Физико-химически связанную воду подразделяют на прочно- и рыхлосвязанную воду. К прочносвязанной воде относят ближние слои адсорбированной воды, молекулы которой жестко ориентированы по нормали к поверхности и удерживаются силовым молекулярным полем твердой поверхности. Основная роль в удержании прочносвязанной воды принадлежит водородным связям, энергия которых составляет 8-40 кДж/моль. Эта вода может быть удалена с поверхности при давлении порядка 1000 МПа.

Рыхлосвязанная вода удерживается за счет вторичной ориентации дипольных молекул вследствие диполь-дипольного взаимодействия с молекулами прочносвязанной воды. По мере удаления от твердой поверхности степень ориентации дипольных молекул непрерывно уменьшается и деление физико-химически связанной воды на прочно- и рыхлосвязанную следует считать весьма условным.

Физико-химическая связь обусловлена адсорбцией влаги в гидратных оболочках или осмотическим удерживанием в клетках в нестрого определенных соотношениях; удаляется из материала испарением, десорбцией (адсорбционная) или вследствие разности концентраций (осмотическая). Адсорбционная влага может иметь иные, чем вода, свойства и способствует диспергированию частиц и пластификации системы, она присуща обычно структурам коагуляционного типа, хотя может существовать и в структурах других типов. Осмотическая влага вызывает набухание тела и присуща нативным и дисперсным клеточным структурам.

Физико-механическая связь обусловлена удержанием влаги в ячейках структуры (иммобилизационная), в микро- и макрокапиллярах и прилипанием ее к поверхности частиц или тела (смачивание) в неопределенных соотношениях; удаляется из материала испарением или механическими способами (отжатие, центрифугирование и т.д.). Основная масса воды находится в свободном состоянии и не меняет своих свойств.

При увеличении содержания влаги ее избыток перестает быть связанным с продуктом и самопроизвольно отделяется от него (отстаивание, расслаивание и т.п.).

По преобладанию формы связи влаги продукты можно разделить на коллоидные (физико-химически связанная влага), капиллярно-пористые (физико-механически связанная влага) и коллоидные капиллярно-пористые, имеющие качества, присущие первым и вторым, например творожно-сырковая масса, мясной фарш и т.п.

Капиллярная влага представляет собой свободную влагу, она перемещается в теле, как в виде жидкости, так и в виде пара. Капиллярная влага удерживается в пористой среде капиллярными силами, возникающими на границе соприкосновения трех фаз – твердой, жидкой и газообразной. Величина капиллярных сил, а также подвижность капиллярной влаги определяется ее местонахождением в пористой среде. Поэтому капиллярную влагу подразделяют на внутрикапиллярную и капиллярно-стыковую. Внутрикапиллярная влага располагается по Лыкову, в микрокапиллярах с радиусом <10-7 м и в макрокапиллярах с радиусом >10-7 м. Принятая граничная величина для микро- и макрокапилляров соответствует средней длине свободного пробега молекул воды (l » 10-7 м). При этом в микрокапиллярах с радиусом <10-7 м при такой длине волны свободного пробега молекулы перенос газообразного вещества происходит в виде объемной диффузии (хаотическое движение молекул). Капиллярно-стыковая вода располагается в местах контакта частиц.

Отличительным свойством физико-химически связанной или адсорбционной воды является ее неспособность передавать гидростатическое давление при нахождении в дисперсной системе, где она способна перемещаться только в форме пара. Капиллярно-стыковую влагу в момент приобретения свойства сплошности и способности передавать гидростатическое давление называют наименьшей капиллярной влажностью и обозначают символом WНКВ.

Состоянию максимальной капиллярной влажности соответствует равенство объемных концентраций твердой фазы и жидкости Кт = Кж = 0,5; Кт/Кж = 1. При такой влажности дисперсная система будет приобретать свойства достаточно концентрированной суспензии со всеми присущими ей структурно-механическими и реологическими свойствами, и в целом, при влажности материала W>WНКВ механические свойства дисперсной системы будут монотонно уменьшаться.

Таким образом, величину наименьшей капиллярной влажности можно считать некоторой граничной характеристикой количественно-качественных изменений, происходящих в дисперсной системе при ее увлажнении или обезвоживании.

Состояние воды в продуктах определяется различными характеристиками, среди которых: водосвязывающая способность, энергии связи влаги и др. В последнее время из всех характеристик, определяющих состояние продукта, наиболее перспективным и информативным является показатель «активность воды».

Активность воды в большинстве случаев определяется как отношение измеряемого давления водяных паров над продуктом к давлению паров чистого растворителя, при установлении термодинамического равновесия.

 

1.3 Реологические модели простых «идеальных» и сложных
реальных тел

В реологии различают два взаимоисключающих понятий: «твердое идеальноупругое тело» и «невязкая» жидкость. Под первым понимается такое тело, равновесные форма и напряжение которого достигаются мгновенно. Жидкость называется невязкой, если напряжение изотропно независимо от состояния течения, т.е. если жидкость не способна создавать и поддерживать напряжения сдвига.

Между предельным состоянием тел – идеальноупругими твердыми телами и невязкими жидкостями – в природе существует огромное многообразие тел промежуточного характера.

Модели состоят из двух элементов: пружины (тело по Гуку) и поршня (тело по Ньютону).

Следует подчеркнуть, что механическое моделирование процесса деформирования пищевого материала в условиях, наиболее приближенных к реальным, позволит использовать его структурно-механические характеристики при описании течения среды в механических устройствах, а также моделировать технологические процессы с целью их оптимизации.

Рассмотрим основные модели и виды течения пищевых масс, которые могут встретиться при изучении реологических свойств. При этом необходимо указать, что точные математические закономерности получены только для ньютоновского течения. Для всех неньютоновских течений выведены лишь приближенные формулы.

Известны три промежуточные модели идеализированных материалов: идеальноупругое тело (по Гуку), идеальновязкая жидкость (по Ньютону), идеальнопластическое тело (по Сен-Венану), (табл. 1.3).

Идеальноупругое тело является системой, в которой энергия, затраченная на деформацию, накапливается в теле и может быть возвращена при разгрузке

Физическую модель Гукова тела как при растяжении – сжатии, так и при сдвиге представляет собой пружина (табл. 1.3).

Таблица 1.3