A transferência de calor é um tópico fundamental para quem deseja conhecer ou ingressar na indústria de alimentos, visto que existem inúmeros processos térmicos, e que se os mesmos forem feitos de maneira incorreta, podem comprometer a segurança e qualidade sensorial do produto. Esse artigo, tem então o objetivo de explicar os fundamentos de transferência de calor, partindo do seu significado e da termodinâmica, até transferência de calor latente e sensível para, finalmente, o diagrama geral da água.
1. Termodinâmica e a transferência de calor
Pela lei zero da termodinâmica, é sabido que sistemas sempre tendem ao equilíbrio, então, o calor sempre irá fluir de uma temperatura mais alta para uma temperatura mais baixa. Isso porque, na temperatura mais alta, as moléculas têm maior potencial energético, e na temperatura mais baixa o potencial energético é menor, fazendo então com que para atingir o equilíbrio no sistema, o calor seja transferido da maior para a menor temperatura.
2. Transferência de calor sensível e latente
Temos dois tipos de transferência de calor, sendo o calor sensível, que ocorre somente transferência de energia sem mudança de fase, e o calor latente, onde acontece a mudança de fase.
2.1. Calor sensível
Ao abrirmos o forno para mexer um alimento, por mais que sintamos o calor, nós não nos queimamos, mas por quê isso acontece?
Isso ocorre pois a transferência de calor em forno é feita por calor sensível, que é apenas uma energia sendo transferida e não tem o envolvimento de mudança de fase.
Portanto, no caso da abertura do forno, a transferência é feita pelo calor latente através de convecção, e o meio de transferência desse calor, é o ar quente.
2.2. Calor latente
Agora se colocarmos a mão perto demais da abertura de uma chaleira soltando vapor, é certo que iremos nos queimar, e isso acontece pois a transferência de calor é do tipo latente, no qual iremos ter mudança de fase envolvida.
Dentro da chaleira, tínhamos água que, ao atingir mais ou menos 100°C, iria se evaporar. Esse vapor, nada mais é do que água e energia, e ao entrar em contato com uma superfície mais fria, no caso a nossa mão, vai ocorrer uma mudança de fase do vapor para o líquido chamada condensação e vai ser liberada uma grande quantidade de energia, sendo mais ou menos 100°C direto na nossa mão, sendo essa a causa de queimadura quando se trata de vapor.
No caso da indústria de alimentos, os equipamentos mais usados para fazer transferência de calor são o tacho no qual o fluido térmico permanece a temperatura constante ao longo do tempo e o produto sofre aumento de temperatura, e os trocadores de calor, nos quais o fluido térmico vai esfriando à medida do comprimento do trocador de calor, enquanto o produto vai aquecendo.
Além disso, o fluido térmico mais utilizado é o vapor d’água, justamente pela facilidade de transferir calor pela mudança de fase, além de seu transporte ser fácil e seu custo, baixo.
3. Propriedades do vapor d’água e diagrama geral da água
Mas afinal, por que a temperatura da água não sobe mais após atingir 100°C a 1 atm e entrar em ebulição? Isso se deve ao fato de que toda a transferência de energia que o calor transfere para a água, está sendo usada apenas para a mudança de estado físico. Então, durante o calor latente não temos mudança na temperatura. Entretanto, a uma temperatura acima de 100°C só teremos a água no estado líquido se alterarmos a pressão.
Podemos agora então, analisar o diagrama geral da água, na figura 3 abaixo vê-se uma linha mais escura que recebe o nome de linha equilíbrio líquido-vapor, e em qualquer ponto desta linha estamos em um equilíbrio líquido-vapor ou seja o ponto relacionado a ebulição da água a 100°C e 1 bar está ali.
Ao aumentarmos a pressão por exemplo, para 1,05 bar, também poderemos ter esse equilíbrio líquido-vapor, mas a temperatura será maior, correspondendo a 121,1°C, isso é justamente o que ocorre num equipamento chamado autoclave na indústria alimentícia (Você pode saber mais sobre esse equipamento lendo o artigo sobre Autoclaves e sua instrumentação no blog da BBO). Entretanto, a água também pode entrar em ebulição a temperaturas menores do que 100°C , só que nesse caso a pressão será menor que 1 bar, isso é muito usado no caso de evaporadores, pois aqui temos uma minimização de danos térmicos ao produto.
Observando ainda o diagrama geral da água, podemos ver que acima da linha de equilíbrio líquido-vapor temos apenas estado líquido, e abaixo dessa linha, vapor. Outro ponto interessante desse diagrama, é o chamado ponto triplo, no qual a água líquida, vapor e gelo coexistem, numa temperatura muito próxima de 0°C, mas a pressão de vapor é muito baixa.
4. Conclusão
Este artigo apresentou fundamentos para entender o que é a transferência de calor sensível e latente, além de explicar como ler os pontos básicos do diagrama geral da água.
Vê-se também que esse conhecimento é extremamente importante pois as empresas utilizam diversos equipamentos que trabalham com transferência de calor, como as autoclaves e os tachos. Além de diversos processos que exemplificam a necessidade de se conhecer o fenômeno de transferência de calor, como uma pasteurização de leite a nível industrial, ou mesmo a fervura de água para fazer um chá a nível caseiro.
Portanto, é possível observar a grande importância desse assunto não somente para a indústria de alimentos, mas também para o conhecimento prático de vida.
Para maior conhecimento do assunto, a BBO disponibiliza um curso sobre Fundamentos dos processos térmicos dos alimentos e outro curso sobre Autoclaves e sua instrumentação com os professores Alfredo de Almeida Vitali e Daniela Almeida Vega.
Autores:
Giovanna Gualtieri Garcia – https://www.linkedin.com/in/giovanna-gualtieri-2335401aa
Sobre a BBO
Somos uma empresa de consultoria, P&D&E&I (Pesquisa Desenvolvimento Engenharia e Inovação), treinamento e assessoria para indústrias do setor de alimentos, bebidas, fármacos e embalagens.
Nossa expertise é a engenharia de alimentos. O nome “Black box openers” (abridores de caixa preta) sintetiza nossa missão em abrir a “caixa preta” do cliente para solucionar problemas industriais complexos de maneira lúdica e original.
Caso procure outros cursos, a BBO acesse: https://cursos.bbopeners.com.br/
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