Determinação de Propriedades Termofísicas de Fluido Não Newtoniano: Extrato de Tomate

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Objetivos

O objetivo deste trabalho é determinar as propriedades termofísicas do fluído não-newtoniano extrato de tomate. Como objetivos específicos tem-se a determinação experimental de: massa específica do fluído através de picnometria, calor específico por calorimetria de mistura adiabática e difusividade térmica pelos métodos de Ball e Olson e de Bairi et al (2007). Ainda, objetiva-se estimar a condutividade térmica do fluído a partir das demais propriedades e comparar os valores obtidos com dados da literatura.

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Fundamentação Teórica

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Difusividade térmica

A difusividade térmica é uma propriedade termofísica que mede a capacidade de um material de conduzir energia térmica em relação à sua capacidade de armazená-la. Onde a taxa temporal de variação da temperatura depende do seu valor numérico. Materiais com alto valor de difusividade térmicas respondem rapidamente a mudanças térmicas a eles impostas, enquanto materiais com valores baixos respondem mais lentamente, pois grande parte do calor que lhe é fornecido é absorvido, restando assim uma pequena quantidade a ser conduzida, levando mais tempo para atingir um novo estado de equilíbrio. (INCROPERA et al., 2008).

Devido ao fato de a difusividade térmica ser uma propriedade de transporte, sua principal aplicação é na modelagem e nos cálculos de transferência de calor transiente em operações básicas de processamento de alimentos, como a secagem, o processamento térmico, o resfriamento, o congelamento e cozimento. Onde a difusividade térmica de um material é influenciada pelo conteúdo de água, pela temperatura, pela composição e pela porosidade ( SOUZA, 2008).

A velocidade com que o calor se difunde por meio de um material é a difusividade térmica, podendo ser definida pela Equação 1, onde é a difusividade térmica em m²/s.[pic 2]

[pic 3]

De acordo com Singh (1982) apud Souza (2008), os métodos mais utilizados para obter a difusividade térmica são: estimativa por mínimos quadrados, método de Ball e Oslon (1957), Método de Dickerson (1965) e método de Bairi et al. (2007). Neste trabalho foram aplicados os métodos de Ball e Oslon (1957) e Bairi et al. (2007).

O método Ball e Olson utiliza o perfil de temperatura de um ponto no interior de uma amostra durante um processo de aquecimento ou de resfriamento. No entanto, se a temperatura do meio de aquecimento varia durante o processo de aquecimento, outro método deve ser usado. (CARBONERA et al., 2003, apud BALL e OLSON (1957) e HAYAKAWA e BALL (1971)).

As equações utilizadas por SINGH (1982, apud DAIL, 1985) para determinação do parâmetro de aquecimento, relacionam a difusividade térmica com um parâmetro de aquecimento, dado em unidade de tempo. Adaptando a equação para o caso utilizado, com pontas isoladas, obtemos a equação 2. O valor de fh é dado pelo inverso negativo do coeficiente angular da curva em seu período linear.

[pic 4]

[pic 5]

O método de Bairi et al. consiste em um método transiente simplificado, utilizando a solução analítica da equação da conservação da energia para a difusão de calor em um cilindro longo, ou seja, a resolução analítica da Equação de Fourier (Eq. 4) em uma dimensão (1D) e coordenadas cilíndricas.

[pic 6]

Assim, os autores chegaram a Equação linearizada 5.

[pic 7]

Na Equação 5, tem-se:

[pic 8]

A partir do gráfico ln ( em função do tempo (t) é obtido o coeficiente angular (a) que representa o termo da Equação 5. De acordo com as hipóteses simplificativas dos autores a primeira raiz da Equação característica é =2,405. Portanto, a difusividade térmica pode ser obtida a partir da Equação 7 (Singh 1982 apud Souza, 2008).[pic 9][pic 10][pic 11]

[pic 12]

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Massa específica

Segundo Souza (2008), a massa específica é definida como a razão entre a massa de um determinado material e o seu volume, conforme a Equação 8:

[pic 13]

A massa especifica é uma propriedade de extrema importância para o correto dimensionamento de todas as operações unitárias que estão relacionadas com a transferência de quantidade de movimento, como ocorre no transporte de materiais através de tubulações, agitação, filtração, fluidização e sedimentação, ainda é importante no projeto de tanques de armazenamento e sistemas de bombeamento, na determinação da pressão exercida (SOUZA, 2008).

Mudanças na massa específica e variações no volume de um alimento, durante o seu processamento, ocorrem devido as transferências simultâneas de massa e calor, assim devem ser quantificadas para um melhor controle. Isto ocorre por exemplo nas operações de secagem, defumação, branqueamento, fritura e cozimento (SOUZA, 2008).

Para a determinação da massa especifica de líquidos, de acordo com Urbicain e Lozano (1997 apud. SOUZA, 2008) dois métodos são indicados: o hidrométrico e o picnométrico. Por ser o mais adequado, neste trabalho o método da picnometria será aplicado.

Que consiste em um frasco de vidro resistente de baixo coeficiente de expansão térmica e com tampa perfurada, sendo esta última especificação necessária para que ocorra o vazamento do líquido ao adaptá-la ao frasco. Destaca-se que o picnômetro deve ser calibrado uma vez na temperatura desejada, possibilitando a determinação da massa específica do fluido.

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Calor específico

O calor específico é definido como a energia necessária para elevar em um grau a temperatura de uma unidade de massa de uma determinada substância.

Do ponto de vista de aplicação industrial, o calor específico é uma