Termodinámica de la Transformación del
Agua en Hielo.
Hay dos procesos:
1.- Bajada de
temperatura.
2.- Paso de líquido a
sólido. La capacidad calorifica disminuye.
Interesan dos
factores:
1.- Factores
Termodinámicos.
2.- Factores
Cinéticos ( velocidad ).
1.- Factores
Termodinámicos. Al eliminar calor si no hay cambio de fase el cambio de
temperatura se expresa:
_T = q/C donde
_T = Cambio de
temperatura.
C = Capacidad
Calorifica ( Calor Especifico ).
q = Cantidad de calor
eliminado.
En cambio de fase puede
haber un cambio de Cp sin cambio de temperatura ( el cambio es L y se denomina
calor latente ).
El paso de agua pura
a hielo :
H2 O (l) %%%%%%%%→ H2
O (s)
Cp agua líquida = 1
cal/gxK ( 4,18 Kj/KgxK )
Cp agua sólida = 0,5
cal/gxK ( 2,04 Kj/KgxK )
L ( Calor Latente de
cristalización ) = 79,7 cal/ g ( 335 Kj /Kg ).
Todo esto a presión
de 1 atmósfera. Si la presión es distinta a 1 atmósfera el punto Tm = pto de
fusión del hielo
varia:
dTm / dP = T_V / L
donde
P = presión aplicada.
L = calor latente de
cristalización.
_V = diferencia de
volumen entre el estado sólido y líquido.
El punto de fusión se
puede reducir con presión aunque es dificil, sólo se hace en casos especiales.
En alimentos el agua
no es pura.
- Transformación de
Agua en Hielo en Solución.
Un sistema está en
equilibrio cuando sus potenciales químicos de sus componentes son iguales en
todas las fases.
Para el agua pura el
potencial químico es proporcional a la presión parcial del vapor en el
equilibrio. En la gráfica la presión de vapor es función de la temperatura. A 0 ºC la presión parcial de
vapor del agua y del hielo están en equilibrio. Las lineas continuas nos dan la
presión en equilibrio; las lineas discontinuas son extrapolaciones.
Si se añade un soluto
se reduce la presión de vapor, esto esta dado por:
P0 - P / P0 = X2
donde
X2 = fracción molar
del soluto en solución.
P0 = presión parcial
del agua pura.
P = presión parcial
del agua en solución.
Esto se conoce como
Depresión del Punto de Congelación.
En una solución
diluida la depresión del punto de congelación puede ser estimada a partir de L
y la fracción molar, ya que se comportan idealmente sólo en estas condiciones.
Los puntos de la
curva de líquido describen cambios de comportamiento en el equilibrio del
sistema de fusión en función de la temperatura. En todos los puntos la presión
parcial del sistema congelado debe se igual a la del hielo a la misma
temperatura, de forma que los alimentos congelados a la misma temperatura
presentan la misma actividad de agua.
- Efecto principal de
añadir soluto sobre el contenido calorifico del sistema:
1.- Disminución de la
temperatura de congelación.
2.- El calor latente
asociado al cambio de fase (L) varia según la temperatura.
Para predecir lo que
ocurre: el contenido calorifico de la fase líquida es la suma del contenido
calorifico individual del/los solutos y la del agua (como si fueran puros, no
se tienen en cuenta la interacciones entre ambas). Los contenidos calorificos
no son función simple de la temperatura pues el calor latente (L) es función de
la temperatura que depende del hielo formado ( esto se calcula empiricamente ).
La congelación se
describe con diagramas de fase (transparencias).
En estos sistemas no
se alcanza el todo de hielo porque hay factores cinéticos que influyen.
