Berechnung der Energieveränderung für Lebensmittelwissenschaftler

Betrachten wir die Verringerung des Dampfdruck. Mit Hilfe des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik können wir die Energieänderung berechnen, die mit einer Druckänderung einhergeht. Wenn wir die Energie in einem System mit dem Symbol U bezeichnen und die Änderung von U berechnen, die bei einer Volumenänderung bei konstantem Druck auftritt (wir nehmen an, dass keine Wärme zugeführt oder abgeführt wird), können wir schreiben:

dU steht für eine kleine Energieänderung und dV für eine kleine Volumenänderung. Die Beziehung zwischen Druck und Volumen, die als ideales Gasgesetz bezeichnet wird, lautet

wobei n die Molzahl des Gases, R eine Konstante, bekannt als Gaskonstante (8,31 J/mol K), und T die Temperatur des Gases in Kelvin ist. Wir können das ideale Gasgesetz differenzieren, um dV zu erhalten.

Kombiniert man dies mit dem ersten Gesetz, erhält man

Die Energie, die benötigt wird, um vom Dampfdruck reinen Wassers im Glas – den wir als Dampfdruck p0 bezeichnen – zum Dampfdruck Wassers im Schwamm zu gelangen, beträgt

Das Verhältnis p / p0 wird als Wasseraktivität aw) bezeichnet, wenn es um das Wasser in einem Schwamm, in Lebensmitteln oder anderen Feststoffen bzw. Flüssigkeiten geht. Bezieht es sich auf Wasser in der Luft, sprechen wir von relativer Luftfeuchtigkeit und multiplizieren den Wert manchmal mit 100, um ihn in Prozent auszudrücken. Das Verhältnis U/n ist die Energie pro Mol Wasser und wird als Wasserpotential bezeichnet, mit dem Symbol Ψ. Das Wasserpotential hat die Einheit Joule/Mol. Mit dieser Substitution gelangen wir schließlich zu der Gleichung, die die Energie des Wassers im Schwamm mit dessen Wasseraktivität in Beziehung setzt

Die Gleichung bedeutet, dass wir den Energiezustand des Wassers in einem Produkt entweder als Wasserpotenzial oder als Wasseraktivität ausdrücken können. In einigen wissenschaftlichen Bereichen wird das Wasserpotenzial verwendet, in anderen Wasseraktivität. Manche verwenden auch die Gefrierpunktserniedrigung oder die Osmolalität, doch all dies sind gleichwertige Konzepte. Jedes dieser Konzepte hat Vor- und Nachteile, doch wichtig ist zu verstehen, dass sie alle den Energiezustand des Wassers messen und auf einer soliden theoretischen Grundlage beruhen. Wasseraktivität das in der Lebensmittelwissenschaft und -technik am häufigsten verwendete Maß, das mit präzisen Wasseraktivität ermittelt wird.

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