식품 과학자를 위한 에너지 변화량 계산

증기압의 감소에 대해 생각해 봅시다. 열역학 제1법칙을 이용하면 압력 변화에 수반되는 에너지 변화를 계산할 수 있습니다. 기호 U를 시스템 내의 에너지로 두고, 압력을 일정하게 유지한 상태에서(열이 가해지거나 제거되지 않는다고 가정할 때) 부피를 변화시켰을 때 발생하는 U의 변화를 계산하면 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

dU는 에너지의 작은 변화를 나타내고, dV는 부피의 작은 변화를 나타냅니다. 압력과 부피 사이의 관계는 ‘이상 기체 법칙’이라고 하며, 다음과 같습니다.

여기서 n은 기체의 몰 수, R은 기체 상수(8.31 J/mol K)라고 하는 상수이며, T는 켈빈 단위의 기체 온도이다. 이상 기체 법칙을 미분하면 dV를 구할 수 있다

이것을 제1법칙과 결합하면 다음과 같이 얻게 된다

이제, 유리잔 속 순수한 물의 증기압(이를 포화 증기압 또는 p0라고 부름)에서 스펀지 속 물의 증기압으로 이동하는 데 필요한 에너지는

스펀지 속의 물이나 식품, 기타 고체 또는 액체에 포함된 물을 다룰 때, p / p0의 비율을 수분 활성도(aw)라고 합니다. 이것을 공기 중의 수분에 적용할 때는 상대 습도라고 부르며, 때로는 100을 곱하여 백분율로 표기하기도 합니다. 비율 U/n은 물 1몰당 에너지를 나타내며, 수분 잠재력이라고 부르며 기호는 Ψ입니다. 수분 잠재력의 단위는 줄/몰입니다. 이러한 대입을 통해, 마침내 스펀지 내 수분의 에너지와 그 수분 활성도를 연결하는 방정식에 도달하게 됩니다.

이 방정식은 제품 내 물의 에너지 상태를 수위(water potential)나 수활성(water activity)으로 표현할 수 있음을 의미합니다. 과학의 일부 분야에서는 수위를 사용하고, 다른 분야에서는 수활성을 사용합니다. 또한 어는점 강하도나 삼투압 농도를 사용하는 경우도 있지만, 이 모든 개념은 서로 동등합니다. 각각의 방식에는 장단점이 있지만, 중요한 점은 이 모든 것이 물의 에너지 상태를 측정하는 지표이며 탄탄한 이론적 근거를 갖추고 있다는 것입니다. 수분 활성도는 정밀한 수분 활성도 측정기를 사용하여 식품 과학 및 공학 분야에서 가장 널리 사용되는 측정 기준입니다.

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