食品的熱特性.

1、第五章 食品的熱特性 冷藏、烹制、焙烤、巴氏滅菌、冷凍和干燥過(guò)程都要涉及到熱傳遞，為了更好的設(shè)計(jì)工藝和設(shè)備，必須了解關(guān)于食品熱特性的知識(shí)。第一節(jié)第一節(jié) 傳熱的基本方式傳熱的基本方式 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)(conduction); (conduction); 對(duì)流對(duì)流(convection); (convection); 輻射輻射(radiation)(radiation)。 熱的傳遞是由于系統(tǒng)內(nèi)或物體內(nèi)溫度不同而引起的，熱的傳遞是由于系統(tǒng)內(nèi)或物體內(nèi)溫度不同而引起的，根據(jù)傳熱機(jī)理不同，傳熱的基本方式有三種：根據(jù)傳熱機(jī)理不同，傳熱的基本方式有三種： 熱量從物體內(nèi)溫度較高的部分傳遞到溫度較低熱量從物體內(nèi)溫度

2、較高的部分傳遞到溫度較低的部分，或傳遞到與之接觸的另一物體的過(guò)程稱為的部分，或傳遞到與之接觸的另一物體的過(guò)程稱為熱傳導(dǎo)，又稱導(dǎo)熱。熱傳導(dǎo)，又稱導(dǎo)熱。 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 由于物質(zhì)微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞，由于物質(zhì)微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞，在傳熱方向上無(wú)物質(zhì)的宏觀位移。在傳熱方向上無(wú)物質(zhì)的宏觀位移。 存在于固體、靜止流體及滯流流體中。存在于固體、靜止流體及滯流流體中。 發(fā)生熱傳導(dǎo)的條件是有溫度差存在，其結(jié)果是熱發(fā)生熱傳導(dǎo)的條件是有溫度差存在，其結(jié)果是熱量從高溫部分傳向低溫部分。量從高溫部分傳向低溫部分。1.1.熱傳導(dǎo)（又稱導(dǎo)熱）熱傳導(dǎo)（又稱導(dǎo)熱） Fourier 定律: 式中：熱流量，

3、單位時(shí)間傳遞的熱量W q 熱流密度，單位時(shí)間通過(guò)單位面積傳遞的熱量； A垂直于導(dǎo)熱方向的截面積m2； 導(dǎo)熱 系數(shù)（熱導(dǎo)率）W/( m K)。 上式稱為Fourier定律，號(hào)稱導(dǎo)熱基本定律，是一個(gè)一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱導(dǎo)熱的基本定律RttAbttQnniiiin110112.2.熱對(duì)流熱對(duì)流 流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞過(guò)程，流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞過(guò)程， 特點(diǎn)特點(diǎn) 熱對(duì)流僅發(fā)生在流體中熱對(duì)流僅發(fā)生在流體中 流體各部分間產(chǎn)生相對(duì)位移流體各部分間產(chǎn)生相對(duì)位移 食品生產(chǎn)中，常遇到的并非是單純的熱對(duì)流方式，而是流體流過(guò)固體表面時(shí)發(fā)生的熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的傳熱過(guò)程，即熱由流體傳遞到

4、固體表面熱由流體傳遞到固體表面( (或反之或反之) )的過(guò)的過(guò)程，通常將它稱為對(duì)流傳熱程，通常將它稱為對(duì)流傳熱( (也稱給熱也稱給熱) )。其特點(diǎn)是靠近固體壁面附近的流體中依靠熱傳導(dǎo)方式傳熱，而在流體主體中則主要依靠對(duì)流方式傳熱。式中式中 Q對(duì)流傳熱速率，對(duì)流傳熱速率，W； A傳熱面積，傳熱面積，m2 t對(duì)流傳熱溫度差，對(duì)流傳熱溫度差， t= T-TW或或t=tw-t，； T熱流體平均溫度，熱流體平均溫度，； TW與熱流體接觸的壁面溫度，與熱流體接觸的壁面溫度，； t冷流體的平均溫度，冷流體的平均溫度，； tW與冷流體接觸的壁面溫度，與冷流體接觸的壁面溫度，； a對(duì)流傳熱系數(shù)，對(duì)流傳熱系數(shù)，W

5、/m2K（或（或W/m2）。）。 RtATTQw1牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律。Q= A（T-Tw）表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，當(dāng)流體與壁面溫度相差1度時(shí)、每單位壁面面積上、單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量。 影響 因素：流速、流體物性、壁面形狀大小3 3、熱輻射、熱輻射 因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞。自然界中一切物體都在不停地發(fā)射輻射能，同時(shí)又不斷地吸收來(lái)自其它物體的輻射能，并將其轉(zhuǎn)化為熱能。物體之間相互輻射物體之間相互輻射和吸收能量的總結(jié)果，稱為輻射傳熱和吸收能量的總結(jié)果，稱為輻射傳熱。由于高溫物體發(fā)射的能量比吸收的多，而低溫物體則相反，從而使凈熱量從高溫物體傳遞向低溫物體。 特點(diǎn)： 可在真空中傳播 能量傳遞

6、同時(shí)伴隨有能量的轉(zhuǎn)換 任何物體只要在絕對(duì)零度以上，都能發(fā)射輻射能，但是只有在物體溫度較高時(shí)，熱輻射才能成為主要的傳熱方式。 實(shí)際進(jìn)行的傳熱過(guò)程，往往不是上述三種基本方式單獨(dú)出現(xiàn)，而是兩種或三種傳熱的組合，而又以其中一種或兩種方式為主。 第二第二 節(jié)節(jié) 食品傳熱特性的主要參數(shù)食品傳熱特性的主要參數(shù)一、比熱一、比熱 1 概述概述物質(zhì)的比熱物質(zhì)的比熱Cp是單位質(zhì)量的物質(zhì)溫度每是單位質(zhì)量的物質(zhì)溫度每升高一度所需的熱量。比熱的單位為升高一度所需的熱量。比熱的單位為kJ/kg。 引入比熱后，可用下面的方程計(jì)算質(zhì)量為M的食品溫度從T1升至T2時(shí)所需的熱量Q： Q=MCp(T2-T1) 其中Cp為恒壓下的比熱

7、，它應(yīng)用在幾乎所有食品加熱和制冷加工上，只有帶有氣體的食品計(jì)算時(shí)需要區(qū)別Cp和恒容比熱Cv；M為食品質(zhì)量（單位kg）。2 比熱容估算模型液態(tài)食品或含水率高的食品比熱與溫度的關(guān)系3、比熱的測(cè)定、比熱的測(cè)定 混合法：混合法： 將一已知質(zhì)量將一已知質(zhì)量 Ms的樣品加熱至溫度的樣品加熱至溫度 Ts，然后將其放入一盛放某流體的銅制，然后將其放入一盛放某流體的銅制（或鋁）容器內(nèi)，容器質(zhì)量為（或鋁）容器內(nèi)，容器質(zhì)量為 Mc，流，流體質(zhì)量為體質(zhì)量為 Mf，容器和流體的溫度容器和流體的溫度 均為均為Tf ， 。為了防止熱量散失到周圍的空。為了防止熱量散失到周圍的空間里，量熱器絕熱良好。用一個(gè)熱電偶間里，量熱器絕

8、熱良好。用一個(gè)熱電偶或溫度計(jì)監(jiān)視流體和樣品混合物的溫或溫度計(jì)監(jiān)視流體和樣品混合物的溫度，當(dāng)溫度達(dá)到度，當(dāng)溫度達(dá)到 Tav 的平衡值時(shí)測(cè)出該的平衡值時(shí)測(cè)出該值。值。 如果流體熱容 Cpf，金屬容器熱容 Cpc 已知，那么就可計(jì)算出樣品熱容。假設(shè)沒(méi)有與周圍發(fā)生傳遞，那么樣品損失的熱量等于量熱器和流體獲得的熱量。樣品的熱容可以按下式計(jì)算： Cps=（McCpc+MfCpf）（Tav-Tf）/Ms（Ts-Tav） 混合法測(cè)定比熱所需設(shè)備簡(jiǎn)單、操作較方便，能適應(yīng)多種物料測(cè)定。由于量熱器測(cè)定時(shí)不可避免的熱泄漏，因此對(duì)其測(cè)定結(jié)果往往要進(jìn)行誤差校正。差示掃描熱量測(cè)定 1) DSC的結(jié)構(gòu)與原理 在升溫或降溫的過(guò)

9、程中，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)(如相態(tài))和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化及光、電、磁、熱、力等物理性質(zhì)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。熱分析技術(shù)就是在改變溫度的條件下測(cè)量物質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度的關(guān)系的一類技術(shù)。在食品科學(xué)中，人們利用這一技術(shù)檢測(cè)脂肪、水的結(jié)晶溫度和融化溫度以及結(jié)晶數(shù)量與融化數(shù)量；通過(guò)蒸發(fā)吸熱來(lái)檢測(cè)水的性質(zhì)；檢測(cè)蛋白質(zhì)變性和淀粉凝膠等物理化學(xué)變化。差式掃描量熱技術(shù)應(yīng)用為廣泛，它是樣品和參照物同時(shí)程序升溫或降溫，并且保持兩者溫度相等的條件下，測(cè)定流入或流出樣品和參照物的熱量差與溫度關(guān)系的一種技術(shù)。根據(jù)測(cè)量的方法不同，分兩種類型：熱流型DSC和功率補(bǔ)償型DSC 。其主要特點(diǎn)是分別用獨(dú)立的加熱器和傳感器來(lái)測(cè)量和控制樣品和參照的

10、溫度差，對(duì)流入或流出樣品和參照的熱量進(jìn)行補(bǔ)償使之相等。它所測(cè)量的參數(shù)是兩個(gè)加熱器輸入功率之差。整個(gè)儀器由兩個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。一個(gè)控制溫度，使樣品和參照物在預(yù)定的速率下升溫或降溫。另一個(gè)用于補(bǔ)償樣品和參照物之間所產(chǎn)生的溫差和參照物的溫度保持相同，這樣就可以從補(bǔ)償?shù)墓β手苯忧鬅崃髀?，二、二、?dǎo)熱系數(shù) 1 概述 導(dǎo)熱率又稱導(dǎo)熱系數(shù)，反映一種物質(zhì)的傳熱能力的大小，單位為 W/m。 穩(wěn)定狀態(tài)的熱傳導(dǎo)可以由Fourier定律描述。 在x方向的溫度梯度， 為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)物體橫截面積的熱量，A為垂直于熱流方向的面積 dxdTAdtdQ將傅立葉定律整理，得導(dǎo)熱系數(shù)定義式物理意義：導(dǎo)熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度

11、梯度下的熱通量。因此，導(dǎo)熱系數(shù)表征物體導(dǎo)熱能力的大小，是物質(zhì)的物性常數(shù)之一。其大小取決于物質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、溫度和壓強(qiáng)等。 導(dǎo)熱系數(shù)大小由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，其數(shù)值隨狀態(tài)變化很大。 固體的導(dǎo)熱系數(shù)固體的導(dǎo)熱系數(shù) 金屬：35420W/(m)，非金屬：0.23.0W/ (m) 固體中，金屬是最好的導(dǎo)熱體。純金屬：t，金屬： 純度，非金屬：，t ，液體的導(dǎo)熱系數(shù)金屬液體：其比一般液體高，其中純Na最高非金屬液體：純液體的比其溶液的大. (金屬液體,非金屬液體) t， (水、甘油除外) 在缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，溶液的導(dǎo)熱系數(shù)可按經(jīng)驗(yàn)公式估算，導(dǎo)熱系數(shù)估算式為： 有機(jī)化合物水溶液： m=0.9aiia 組分的質(zhì)量分率

12、,下標(biāo) m表示混合液,i表示組分的序號(hào) 有機(jī)化合物的互溶混合液： m=ai i溫度的影響：溫度的影響：tt， P P的影響的影響: :一般壓強(qiáng)范圍內(nèi)，一般壓強(qiáng)范圍內(nèi)， 隨壓強(qiáng)變化很小，可忽略隨壓強(qiáng)變化很小，可忽略過(guò)高過(guò)高(2(210105 5kPakPa) )、過(guò)低過(guò)低(3(3kPakPa) )時(shí)，時(shí)，P P ， 氣體的導(dǎo)熱系數(shù)小，對(duì)導(dǎo)熱不利，但有利于保溫、絕熱氣體的導(dǎo)熱系數(shù)小，對(duì)導(dǎo)熱不利，但有利于保溫、絕熱. . 常壓下氣體混合物的導(dǎo)熱系數(shù)的估算式：常壓下氣體混合物的導(dǎo)熱系數(shù)的估算式： 式中：yi組分i的摩爾分率 Mi組分i的分子量，kg/kmol氣體的導(dǎo)熱系數(shù)3/13/1iiiiimMyM

13、yk說(shuō)明說(shuō)明對(duì)大多數(shù)固體， 值與溫度大致成線性關(guān)系：式中： 固體在溫度為 t時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m) 0固體在溫度為 0時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m) 溫度系數(shù)。 大多數(shù)金屬0 )1 (0t2 熱導(dǎo)率估算模型平行模型 垂直模型交錯(cuò)模型二元體系模型平行模型 垂直模型平行模型垂直模型垂直模型常用于肉、魚等纖維狀食品，常用于肉、魚等纖維狀食品， 222222zTyTxTckdtdTp交錯(cuò)模型探針測(cè)定法 導(dǎo)熱率測(cè)定探針是一個(gè)導(dǎo)熱性能良好的圓筒，它可以制成半徑很小象針一樣的實(shí)心體或空心厚壁圓筒，3、導(dǎo)熱率的測(cè)定 探針柄是商用熱電偶插頭。23號(hào)皮下注射針連接到手柄上?？点~加熱器用塑料絕緣彎管絕緣裝于注射針內(nèi)部，

14、并在手柄后段引出?？点~的特點(diǎn)是的電阻不隨溫度改變。絕緣的鉻鎳-康銅熱電偶也裝在塑料絕緣套管內(nèi)，連接點(diǎn)設(shè)置在手柄和針尖中部。使用鉻鎳-康銅熱電偶是因?yàn)殡S溫度改變有變化的電壓輸出。鉻鎳合金和銅相比不易斷。針頭，熱電偶和加熱器都由塑料管絕緣。安裝的最后一步是用環(huán)氧樹脂膠密封。 測(cè)量時(shí)，首先使樣品在要求的溫度下達(dá)到平衡，然后探針插入樣品，插到樣品內(nèi)部的探針按等速加熱，監(jiān)測(cè)線熱源附近的溫度。一段很短的時(shí)間后，得到時(shí)間自然對(duì)數(shù)與溫度關(guān)系曲線，這曲線是線性的，導(dǎo)熱率可由下式給出： 其中，樣品導(dǎo)熱率W/(m)， Q：探針加熱器功率（W/m） t0：時(shí)間校正因素（s） T1，T2：分別為t1和t2時(shí)探針熱電偶溫

15、度（） t1，t2：探針加熱器加熱時(shí)間（s）)T(T4)t)/(ttln(t120102Q二、 焓 焓是物質(zhì)的熱容量水平或熱能量水平。國(guó)際單位制為 KJ/Kg，（也常用Cal/g 表示）。焓包含了潛熱和顯熱的變化，所以它對(duì)食品來(lái)說(shuō)是一個(gè)很重要的概念。焓值是相對(duì)值，通常取-40，-18或0時(shí)物質(zhì)的焓值為零。焓較多地用在估計(jì)水蒸氣、濕空氣和冷凍食品熱含量的變化中。 將某種物質(zhì)溫度由 T1 升至 T2 所需熱量為： Q=M（h2-h1） 其中： M 為物質(zhì)的質(zhì)量，h2為 T2 溫度下的焓，h1為 T1 溫度下的焓。 基本數(shù)據(jù)手冊(cè)中中總結(jié)了大部分物質(zhì)的焓。數(shù)據(jù)來(lái)源不同時(shí)，必須記住對(duì)應(yīng)的焓值為零的基準(zhǔn)溫

16、度。 如果給定的食品焓表中沒(méi)有某種食品的焓值，可以使用含水量大，組成相似的另外一種食品的數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)。 溫度由 T1 變?yōu)?T2時(shí)冷凍食品的焓變可由下面公式估計(jì)： h =MCp(T2-T1)+MXwL 式中 M 為物質(zhì)的質(zhì)量，Cp為物質(zhì)的比容，L為水的熔化潛熱，Xw為該物質(zhì)中的水的質(zhì)量比。當(dāng)僅有一部分水發(fā)生相變時(shí)，Xw應(yīng)為實(shí)際相變的那部分水的質(zhì)量比，而不是全部水的質(zhì)量比 （注：物質(zhì)冷卻溫度低于0時(shí)，h,T2-T1,L 值為負(fù)）。四、熱擴(kuò)散(系數(shù))性 在直角坐標(biāo)系中無(wú)內(nèi)熱源的三維不穩(wěn)定導(dǎo)熱微分公式： 222222zTyTxTckdtdTp K/Cp 的值稱做熱擴(kuò)散系數(shù)，是物質(zhì)的物性之一,通常用符號(hào)表示。反映不穩(wěn)定導(dǎo)熱時(shí)物質(zhì)的導(dǎo)熱能力與物質(zhì)的貯熱能力之間的關(guān)系。國(guó)際制單位為 m/s 。 越大,說(shuō)明物質(zhì)的某一部分一旦獲得熱量,該熱量能在整個(gè)物體內(nèi)很快擴(kuò)散,即物體內(nèi)部溫度易趨于一致. 熱擴(kuò)散系數(shù)可由 K,Cp,的值算出，或由實(shí)驗(yàn)獲得?；诮M成的熱擴(kuò)散系數(shù) 的估計(jì)公式很多。Martens提出了下面的食品原料模型： =0.14610-6Xw+0.10010-6Xf+0.07510-6Xp+