CHƯƠNG 1: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CƠ BẢN Mục lục 1. Phân phối Boltzmann 5. Tập trung vào một hệ thống - enthalpy 6. Năng lượng miễn phí và trạng thái cân bằng 7.
Tiềm năng hóa học 8. Hoạt động nước 1. giới thiệu Chúng tôi hy vọng thực phẩm sẽ thay đổi theo thời gian, công thức nấu ăn đề xuất thời gian nấu, bao bì ghi thời hạn sử dụng. Chúng tôi sẽ trả nhiều tiền hơn cho một loại rượu whisky 10 năm tuổi so với 5 năm tuổi.
Một số thay đổi xảy ra trong một giây và những thay đổi khác trong vài năm; một số cải thiện chất lượng của thực phẩm trong khi những thay đổi khác làm hại nó. Dù theo cơ chế nào thì việc kiểm soát sự thay đổi của thực phẩm để tối ưu hóa chất lượng và đảm bảo an toàn là nhiệm vụ hàng đầu của nhà công nghệ thực phẩm. Nếu chúng ta quan sát thấy một sự thay đổi, thì chúng ta biết rằng nó có thể có cả về mặt nhiệt động lực học và động học. Nếu chúng ta không thấy gì, nó có thể là không thay đổi về mặt nhiệt động lực học hoặc có thể xảy ra về mặt nhiệt động lực học nhưng về mặt động học thì quá chậm.
Chúng ta sẽ trở lại các câu hỏi của động học trong Chương 3, và trong chương này, sẽ giới thiệu những kiến thức cơ bản của nhiệt động lực học. Nhiệt động lực học là một tiên đề chủ đề: có nghĩa là, nó dựa trên một số phát biểu đơn giản về cách vũ trụ được quan sát để phát triển. Những tuyên bố này (định luật nhiệt động lực học) dựa trên sự quan sát hơn là dựa trên bất kỳ bằng chứng bên ngoài nào, nhưng nếu chúng được chấp nhận, toàn bộ hệ thống tuân theo một cách logic. Không ai thật sự mong đợi các định luật nhiệt động lực học bị lật đổ, và nhiều như người ta có thể nói đối với bất kỳ nỗ lực nào của con người, lý thuyết này luôn đúng.
NĂNG LƯỢNG “Năng lượng” được sử dụng phổ biến trong quá trình hội tụ thông thường, đến nỗi rất dễ bị phân tâm khỏi định nghĩa khoa học chính thức. Một thứ gì đó có năng lượng có khả năng hoạt động tức là chuyển động một khối lượng chống lại một lực đã nghịch. VD: Nâng một quả nặng chống lại trọng lực là công việc , nhưng kéo một thanh sắt ra khỏi nam châm ( tức là tác dụng ngược lại từ trường ) hoặc thổi bong bóng xà phòng tức là tác dụng ngược lại sức căng bề mặt , xem chương 15 ) Bất cứ khi nào chúng ta nói về năng lượng , chúng ta sẽ có thể hình dung một cách mà nó có thể được khai thác. VD: Một lò xo nén có năng lượng vì chúng ta có thể tưởng tượng việc sử dụng nó để bắn một quả bóng trong không khí , và tương tự một quả bong bóng bay cũng có năng lượng vì chúng ta có thể tưởng tượng nó va vào một thiết bị bập bênh và phóng quả bóng thứ hai lên trên.
Các ví dụ khác phức tạp hơn cũng có giá trị. Xăng là nguồn cung cấp năng lượng cho ôtô , nó được đốt cháy trong động cơ để cung cấp năng lượng cho sự giãn nở của xi lanh làm trục quay trực truyền động và cuối cùng làm quay các bánh xe. Tuy nhiên , chúng ta có thể sử dụng năng lượng đó một cách không hiệu quả để di chuyển chiếc xe khổng lồ lên một ngọn đồi chống lại lực hấp dẫn. Tương tự , khi đường hoặc chất béo được phân hủy và phân hủy trong các tế bào cơ , chúng tạo ra sức mạnh cho các cơn co thắt có thể đẩy bạn lên cùng một ngọn đồi bằng cách đi bộ chống lại lực đối nghịch của trọng lực.
Mặc dù cả hai hoạt động đều không hiệu quả - chúng biện minh với nhau đủ lớn , với phần lớn năng lượng bị lãng phí cho chúng ta rằng xăng và thực phẩm có một năng lượng nhất định bởi vì cả hai đều có thể được khai thác để di chuyển một khối lượng chống lại một lực đối nghịch. Năng lượng xuất hiện ở hai dạng: thế năng và năng lượng Thế năng hấp dẫn: E=mgh (1) (Trong đó E là khối lượng của vật thể , g là gia tốc xoay chiều do trọng lực (~10ms-2), và h là độ cao chuyển đổi thông thường.) Một ví dụ khác về thế năng là một sợi dây cao su kéo căng được giữ ở vị trí chống lại xu hướng co lại của nó. Chúng ta có thể viết một phương trình tương tự như Eq. Để mô tả thế năng của sợ dây cao su , nhưng chúng ta sẽ cần thay thế g và h bằng các thuật ngữ mô tả độ bền của cao su và mức đọ giãn của nó.
Thật vậy , bản chất của lực ( ví dụ như lực hấp dẫn. Điện từ , bề mặt hoặc hạt nhân ), một khối lượng sẽ năng lượng do vị trí của nó so với nó , và dạng của phương trình năng lượng sẽ tương tự như phương trình (1). Chúng ta thường không quan tâm đến những vật nặng như quả bóng và dây thun mà là sự kết hợp của các phân tử tạo nên thức ăn của chúng ta. Thế năng có nghĩa là gì ở quy mô này? Khối lượng của các phân tử quá nhỏ để có thể hấp dẫn được thế năng( điều này có nghĩa là một quả bóng sẽ rơi xuống trái đất dưới tác dụng của lực hấp dẫn nhưng fructose không thoát ra khỏi nước trái cây),và chúng ta cũng có thể bỏ qua sự thay đổi năng lượng hạt nhân nếu chúng ta không lên kế hoạch cho bất kì phản ứng hạt nhân nào và điều này có lẽ là cân bằng trong hầu hết các hệ thống thực phẩm).
Năng lượng kinatiet: E_kinetic=1/2mv2 Vật nặng sẽ chuyển động chậm hơn vật nhẹ có cùng năng lượng. Ở quy mô phân tử, động năng nằm trong các phân tử chuyển động và dao động. Cần lưu ý rằng động năng của các phân tử tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối. Sau khi xác định năng lượng về mặt toán học, chúng ta có thể sử dụng định luật đầu tiên để đưa ra dự đoán.
Các lớp vật lý giới thiệu chứa đầy các ví dụ nhỏ về điều này được áp dụng cho các đối tượng riêng lẻ. ENTROPY Định luật đầu tiên của nhiệt động lực học cho chúng ta biết rằng năng lượng có thể chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác nhưng không giải quyết được thực tế là một số chuyển đổi năng lượng xảy ra một cách tự phát trong khi những chuyển đổi khác thì không. Sơ đồ minh họa các phân tử khí nở ra từ một xi lanh đến năm xi lanh rỗng khác. Các phân tử được biểu diễn dưới dạng điểm và minh họa một ảnh chụp nhanh về vị trí của chúng theo thống kê, các phân tử khí nở ra sẽ được phân bố đều giữa sáu bình.
Mối quan hệ giữa entropy, S và xác suất thống kê được đưa ra bởi S = klnΩ (2) trong đó k là hằng số Boltzmann (= 1,38x1023JK-1) và Ω là số mi crostate, một thước đo xác suất thống kê của một cấu hình đã cho. Số lượng các vi hạt được Richard Feynman (1963) định nghĩa là “số cách bên trong hệ thống có thể ghép lại với nhau mà không thay đổi hình thức bên ngoài ”. ên trong trường hợp giãn nở khí, chúng ta có thể bịt kín khóa vòi và đo áp suất khí trong xi lanh thứ nhất. Nếu tất cả các phân tử trở lại trạng thái ban đầu, thì áp suất sẽ có giá trị (tối đa), nhưng bất kỳ cấu hình nào khác của các phân tử sẽ dẫn đến áp suất thấp hơn.Chỉ có một cách để ghép những thứ bên trong lại với nhau của hệ thống (vị trí của các phân tử) 4.
PHÂN PHỐI BOLTZMANN Hình 2. Các ví dụ về entropy phân tử. Các phân tử có entropy tịnh tiến thấp hơn nếu vị trí của chúng là một số cách cố định. Các phân tử trong chất lỏng hoặc đặc biệt là tinh thể có entropy tịnh tiến thấp hơn so với các phân tử trong chất khí.
Một hỗn hợp các phân tử sẽ có entropy của hỗn hợp thấp hơn so với hai pha riêng biệt. Các phân tử phi cầu có entropy định hướng thấp hơn nếu chúng sắp xếp với nhau. Entropy phù hợp thúc đẩy các phân tử mol linh hoạt có cấu hình ngẫu nhiên. Lưu ý rằng trong mọi trường hợp, một trạng thái có trật tự và một trạng thái không có trật tự được hiển thị, nhưng trên thực tế, sẽ có nhiều trạng thái không trật tự hơn.
Thí nghiệm ban đầu của chúng tôi được trình bày trong Hình 1. dựa trên việc các phân tử tự do trao đổi động năng khi va chạm nhưng không có thế năng để giữ chúng lại với nhau hoặc đẩy chúng ra xa nhau (tức là không có liên kết hóa học). Khi có một thuật ngữ năng lượng nhỏ, định luật thứ hai không dự đoán sự phân bố đồng đều trên tất cả các trạng thái có sẵn mà là ưu tiên cho các tions cấu hình năng lượng thấp. Trong trường hợp của một hệ thống có hai trạng thái khả dĩ cách nhau bởi một hiệu năng lượng dtE.
kết quả mong đợi được đưa ra bởi phân phối Boltzmann: n1/n0=exp(-dtE/KT). Phân phối Boltzmann. Tỷ lệ giữa các phân tử năng lượng cao và thấp (ni / n0) giảm khi chênh lệch năng lượng (delta E) tăng hoặc khi nhiệt độ (T) giảm. Inset cho thấy sự phân bố của các phân tử giữa hai trạng thái có thể được ngăn cách bởi sự chênh lệch năng lượng cao hoặc thấp.
k là hằng số Boltzmann và T là nhiệt độ tuyệt đối. Nếu không có sự khác biệt về năng lượng, ni / n0 là 1 và, như chúng ta mong đợi từ định luật thứ hai khi không có liên kết, sự phân bố đều của các phân tử giữa hai trạng thái ( hình 3. Tuy nhiên, khi chu vi năng lượng tăng lên và nhiệt độ giảm, chúng ta sẽ thấy tỷ lệ phân tử ở trạng thái năng lượng thấp ngày càng lớn hơn khi thế năng (delta E) trở nên quan trọng hơn so với động năng nhiệt (kT). Một lần nữa, điều này có ý nghĩa, vì nếu chúng ta thực hiện thí nghiệm khí giãn nở với các phân tử nước ở nhiệt độ cao, chúng ta sẽ mong đợi Hình 3.
nhiều hơi nước và ít nước còn lại ở trạng thái lỏng. Entropy mang lại cảm giác về thời gian và không thể đảo ngược đối với vật lý, nhưng chúng ta phải thận trọng.