Вода

Вода і повітря містяться в переважній більшості сировини, продуктів і матеріалів молочної промисловості. Їхні фізичні характеристики значною мірою визначають хід будь-якого технологічного процесу та якість кінцевого продукту.

Теоретично може існувати 42 різних ізотопних видів води, з них лише сім є стійкими, тобто не радіоактивними. Частка важкої води із формулою DО₂ (D – дейтерій, водень з атомною масою 2) становить у природній воді близько 0,15 мл на 1 л природної води. Вона має густину 1,104 кг/л, кипить за атмосферного тиску при 101,43 °С, а лід з неї плавиться при 3,8 °С. Важка вода пригнічує рослини, а у великих дозах призводить до їх загибелі. В загальній масі природної води впливом цього та інших різновидів води можна знехтувати.

Властивості звичайної води є унікальними. Якщо взяти ряд інших гідратів Н₂S, Н₂Sе та Н₂Те, то із зменшенням молекулярної маси температури фазових переходів мають зменшуватися. Отже за цією аналогією вода має замерзати за температури мінус 90 ˚С, а кипіти – 70 ˚С, що значно відрізняється від дійсності. Одне з можливих пояснень таке: молекули води в кількості 12…150 об’єднуються у кластери – «згустки», які швидко утворюються та розкладаються. Ця гіпотеза дає змогу воді бути структурованою і водночас рідкою та пояснити здатність зменшувати в’язкість зі зростанням тиску (у решти рідин – навпаки), що забезпечує більшу рухомість у надрах планети.

Багато ТФХ води свідчить про те, що життя зародилося саме у воді. Так, густина льоду майже на 11 % менше, ніж води (в інших речовинах – навпаки), тому він утворюється на її зовнішній поверхні та захищає водойми від промерзання. Цьому сприяє також відома аномалія зміни об’єму рідкої води залежно від температури: під час охолодження від +4 до 0 °С густина води зменшується, в прісних водоймах відбувається стратифікація (розшарування за густиною) – холодна до 0 °С вода зверху, тепліша до +4 °С – біля ґрунту. Це, по-перше, не дає розвиватися конвекції у водоймі, що також захищає його від промерзання, а по-друге, запобігає руйнуванню клітин рослин і тварин кристалами льоду.

Вода – це інертний розчинник, що зазвичай не вступає в реакцію із розчиненою речовиною. Ця властивість дуже важлива для життя, оскільки в живих системах вода є інертним носієм різноманітних життєво важливих речовин.

Якщо до води потрапляють дрібнодисперсні частинки, які не розчиняються в ній, то молекули води вступають з їхньою поверхнею в контакт, втрачають свою рухомість та виділяють внутрішню кінетичну енергію, яку називають теплотою змочування. Завдяки змочуванню та поверхневому натягу вода може рухатися у тонких порах і тріщинах всупереч силі тяжіння (капілярний ефект). Ця здатність утворює в ґрунті так звану "підвішену" воду, яка за рахунок поверхневого натягу не стікає до більш глибоких горизонтів та забезпечує рослини вологою. Поверхневий натяг та змочування дає змогу воді всупереч силі тяжіння здійматися по тонких капілярах на 10…12 м. Значною мірою це явище впливає на тургор – пружність клітинних оболонок. Поверхневий натяг води залежить від її температури:

t, °С	5	10	15	20	25	30
s, Н/м	74,92·10 –3	74,22·10 –3	73,49·10 –3	72,75·10 –3	71,97·10 –3	71,18·10 –3

 

У природних умовах вода «намагається» залишитися в рідкому стані, тобто у найсприятливіших умовах для підтримання життя. Теплоти випаровування та заморожування води (за нормальних умов 2258,5 та 332,4 кДж/кг) є більшими, ніж будь-якої іншої речовини, що трапляється в молочній промисловості. Найбільшими вважають і теплоємність та інерційність води, що також сприяє життєвим процесам.

Інформацію про ТФХ води наведено у міжнародних скелетних таблицях – у книжках великих за обсягом. Проте для розрахунків, особливо комп'ютерних, будь-яких технологічних процесів, до того ж з майже такою самою точністю, можна користуватися порівняно простими рівняннями регресії. Тиск води, більший за 1 мПа, у цих процесах, як правило, не використовують, його впливом на ТФХ можна нехтувати.

До таких розрахункових формул додається гранична відносна похибка δ результату у відсотках, а також інтервал температур, в якому ця похибка є актуальною.

Коефіцієнт ізобарного розширення b, К ^-1,

b = {(t – 4)[29220 / (t – 4)^1,67 – 0,6]}^-1                                         (1)

для  t = -15…+ 130 °С, db = 0,5 %.

Ізобарна теплоємність с_p, Дж/(кг·К)

с_p =  4218 + 2,8t × lg|0,01t|                                (2)

для  t = -15…+130 °С, dс_p = 0,1 %.

Ентальпія h, кДж/кг,

h = [(0,23867 / t) – 2,9 × 10^-6 ]^-1                                    (3)

для  t = 10…+135 °С; dh = 0,2 %.

Ентропія s, кДж/(кг·К),

s = 4,1898 × ln(T) – 23,505                                (4)

для  t = 0…+150 °С; ds = 0,5 %.

Об’ємна теплоємність сρ, кДж/(м³·К),

сρ = 4212 – 1,718t                                   (5)

для  t = -15…+130 °С; dcr = 0,1 %.

Теплопровідність l, Вт/(м·К),

l = [0,603 – 28,73 / (t + 100)]^0,5                        (6)

для  t = 0…+130 °С; dl = 0,8 %.

Температуропровідність a, м²/с,

a×10⁸  = 20,283 – 700 / (t + 100)                                (7)

для  t = 0…+130 °С; da = 0,4 %.

Динамічна в’язкість µ, Па·с,

lg(µ ×10⁶) = (0,685 –103,21/T)^-1                                  (8)

для  t = -10…+130 °С; dm = 0,1 %.

Кінематична в’язкість n, м²/с,

lg(n ×10⁹) = (0,6688 – 98,4 / T)^-1                                 (9)

для  t = 10…+130 °С; dn = 1 %.

Поверхневий натяг на межі вода – пара s, Н/м,

s × 10³ = (11900 – 22,57T)^0,5                            (10)

для  t = 0…+135 °С; ds = 1 %.

Число Прандтля, Pr,

lg(Pr ×10⁹) = (0,7906 – 128,72/T)^-1                             (11)

для  t = 0…+130 °С; dPr = 0,5 %.