Riprendiamo l’equazione di Gibbs-Thomson vista nella volta precedente e analizziamola nel dettaglio:

rs=2γTmΔHfΔT{r} ^{s} = {2 ∗ γ {T} rsub {m}} over {Δ Hf ∗ ΔT}

rs rappresenta il raggio critico al di sotto del quale non abbiamo nucleazione, ovvero se avvenisse il cristallo sarebbe destinato a sciogliersi per abbassare l’energia libera, mentre al di sopra è destinato ad accrescersi, sempre per abbassare l’energia libera.

In altre parole al di sotto di rs il contributo della superficie all’energia libera è maggiore di quello dato dal volume.

γ è la tensione interfacciale tra il cristallo e la soluzione,

Tm la temperatura di fusione,

ΔT è la differenza tra la temperatura di fusione e quella considerata,

ΔHf è il calore latente di fusione.

L’equazione ci mostra inoltre come a una maggiore variazione della temperatura corrisponda un cristallo di ghiaccio più piccolo. In altre parole essendo il cristallo più piccolo dotato di un maggiore rapporto superficie volume, esso avrà necessità di una differenza di temperatura maggiore per crearsi e mantenersi. Questo dato è di fondamentale importanza dovendo essere alta la percentuale di piccoli cristalli di ghiaccio in un buon gelato dalla tessitura fine.

Come già accennato è termodinamicamente molto più probabile, nel caso reale, la cosiddetta nucleazione eterogenea e secondaria, in cui cioè la formazione dei cristalli avviene su un frammento, una particella già presente nella miscela, un solido qualunque con delle imperfezioni superficiali, un disturbo di natura fisica (onde di pressione, vibrazione, etc.).

In questo caso la struttura cristallina può variare (polimorfismo) dando origine a parità di volume, a cristalli più stabili e meno stabili (ad esempio una configurazione molecolare più densa richiede più energia per essere sciolta).

Il rateo di formazione determina grossomodo il numero e la dimensione di questi cristalli di ghiaccio. Per quanto riguarda il primo parametro, questi non potrà più crescere una volta che il gelato lascia il mantecatore, mentre il secondo crescerà a seconda delle condizioni ambientali nelle fasi successive.

L’abbattimento di temperatura in effetti serve a rallentare la fusione dei cristalli di ghiaccio più piccoli in modo da mantenere più possibile alto il numero totale presente.

A governare il rateo di formazione dei cristalli di ghiaccio concorrono vari fattori tra cui i più importanti sono:

  • Gradiente termico (entro certi limiti);

  • Temperatura di congelamento della miscela;

  • Viscosità.

Chiaramente la formulazione e le componenti che si formano via via (aria inglobata) concorrono a influenzare il rateo: un minor quantitativo di acqua già nella ricetta, a parità di altre condizioni, significa che il mantecatore riuscirà più agevolmente a sottrarre calore, il discorso si inverte se si incorpora velocemente molta aria, etc.

A governare il rateo di crescita dei cristalli di ghiaccio invece figurano soprattutto:

  • Trasferimento di massa;

  • Trasferimento di calore;

Il primo fattore assume una certa importanza quando a fine gelatura si ha una crioconcentrazione della fase liquida. Il cospicuo aumento di viscosità difatti provoca una diminuzione di mobilità dell’acqua e quindi di trasferimento di massa limitando l’accrescimento del cristallo di ghiaccio. Analogamente anche il rilevante calore latente di cristallizzazione diviene un fattore limitante.

La ricristallizzazione è un termine che spesso confonde: essa si riferisce al cambiamento di grandezza, numero e forma dei cristalli di ghiaccio mantenendo costante la massa totale. Quindi accade sia durante alcune fasi del processo di mantecazione che durante la conservazione, la distribuzione e la vendita.

Da un punto di vista della pratica di laboratorio, è di fondamentale importanza che le lame dell’albero del mantecatore aderiscano in maniera perfetta alle pareti del cilindro è che il mantecatore stesso sia nelle adeguate condizioni di esercizio.

Infine secondo alcuni studi (Drewett e Hartel) l’impatto maggiore sulla distribuzione dei cristalli di ghiaccio in termini di grandezza è dato da:

  • Tempo di residenza della miscela nel mantecatore (più è basso, più i cristalli sono piccoli a parità di temperatura di estrazione);

  • Temperatura di estrazione;

  • Adeguata velocità dell’albero (la cui rotazione favorisce lo scambio termico, ma la cui frizione genera calore); ​​ 

La progettazione di quest’ultimo deve essere quindi vincolata ad un’alta efficienza, con gap tra le lame molto piccoli.  ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​​​ 

 

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