食品材料熱物理性質(zhì)和水分?jǐn)U散系數(shù)PPT課件

1、表表 3-1a 水的密度水的密度T /03.9851020 /103(kg/m3)0.999871.000000.999990.999730.99823表表 3-1b 冰的密度冰的密度T /0255075100 /103(kg/m3)0.9170.9210.9240.9270.930第1頁(yè)/共45頁(yè)表表 3-2a 水的水的(體積體積)熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù) T /02468 /106 (1/K)731.2460.41表表 3-2b 冰的冰的(體積體積)熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù) T /0255075 100 125 150 175 /106 (1/K)57504338312417

2、12 （V/V）/T第2頁(yè)/共45頁(yè)表表 3-3a 水水的的比比熱熱容容T/0102030Cp/KJ/(kgK)4.21774.19224.18194.1785表表 3-3b 冰冰的的比比熱熱容容T/01020304050Cp/KJ/(kgK)2.122.041.961.881.801.73T/607080100120140Cp/KJ/(kgK)1.651.571.491.341.181.03第3頁(yè)/共45頁(yè)表表3-4a水水的的熱熱導(dǎo)導(dǎo)率率 T/051015202530 /W/(m K) 0.5610.5700.5790.5880.597 0.606 0.613表表3-4b 冰冰的的熱熱導(dǎo)導(dǎo)率

3、率 T/020406080 100 120 /W/(m K)2.242.432.662.913.183.473.81第4頁(yè)/共45頁(yè)表表 3-5a 水的熱擴(kuò)散系數(shù)水的熱擴(kuò)散系數(shù)T/010203040a /106(m2/s)0.1330.1380.1430.1470.150表表 3-5b 冰的熱擴(kuò)散系數(shù)冰的熱擴(kuò)散系數(shù)T/0255075100a /106(m2/s)1.151.411.752.212.81/（cp）第5頁(yè)/共45頁(yè) 冰在0的融化熱：334.5kJ/kg或6.003kJ/mol第6頁(yè)/共45頁(yè)3-2 食品材料熱物理性質(zhì)的測(cè)量一、焓：Q ,相對(duì)值 過(guò)去多取-20C凍結(jié)態(tài)的焓值為其零點(diǎn)

4、近來(lái)多取-40C凍結(jié)態(tài)的焓值為其零點(diǎn) 熱量測(cè)量的一般原理，用量熱計(jì)接受待測(cè)熱量，根據(jù)量熱計(jì)的狀態(tài)變化量及對(duì)既知電能或標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)熱的標(biāo)定結(jié)果，確定待測(cè)熱量。其關(guān)系可用下面方框圖表示。第7頁(yè)/共45頁(yè) 熱平衡型量熱計(jì)(therma1egui1ibration calorimeter) ：使量熱計(jì)和被測(cè)物體的熱交換變化的最終態(tài)是熱平衡態(tài)，或是使量熱計(jì)與被測(cè)物體的熱交換始終處于熱穩(wěn)定態(tài)或熱準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。這樣就可以據(jù)能量平衡定律，從量熱計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的已知物性(比熱、相變熱)，已知質(zhì)量及其溫度改變量或發(fā)生相態(tài)改變量，算出從待測(cè)物體上吸收的熱量。等溫型冰量熱計(jì)。 傳導(dǎo)型量熱計(jì)(conduction calorime

5、ter) ：也稱熱漏型量熱計(jì)，利用在等溫面上測(cè)定待測(cè)熱物體傳導(dǎo)給等溫邊界的逃逸熱流，并對(duì)等溫面通過(guò)的熱流進(jìn)行時(shí)間積分的方法來(lái)測(cè)定熱量。溫差式熱流量熱計(jì)。 熱相似型量熱計(jì)（thermal similar calorimeter) ：制造一個(gè)電加熱測(cè)量系統(tǒng)，使之與待測(cè)系統(tǒng)的熱邊界條件完全相同，這樣兩系統(tǒng)對(duì)外界的熱交換情況則完全相同，因而可以根據(jù)電加熱系統(tǒng)的電功率及其內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的物性和狀態(tài)變化，求得待測(cè)系統(tǒng)的得失熱量。差示掃描量熱計(jì)。按測(cè)量原理，可把量熱計(jì)分作三大類：第8頁(yè)/共45頁(yè)差示掃描量熱儀：在程序溫度下，測(cè)量輸入到物質(zhì)和參比之間的功率差，從-60C(全部?jī)鼋Y(jié))到1C(全部融化)掃描。PE

6、的功率補(bǔ)償DSC原理圖第9頁(yè)/共45頁(yè)二、比熱容：使單位質(zhì)量的物體溫度升高1度所必要的熱量，J/（kgK)第10頁(yè)/共45頁(yè)冷卻法（投入法）第11頁(yè)/共45頁(yè) “三線法”比熱測(cè)量：將參比皿和用于跑基線的皿分別放在儀器的參比側(cè)（右側(cè)）和樣品側(cè)（左側(cè)），編制等溫升溫等溫的溫度程序，獲得一條熱流曲線(一般升溫的溫度范圍不要超過(guò)50)。將試樣側(cè)的空皿取出，放入標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，按同樣的溫度程序獲得一條熱流曲線。將試樣側(cè)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)取出，放入被測(cè)物質(zhì)，仍按相同溫度程序獲得熱流曲線。有了三條熱流曲線，即可利用儀器的比熱計(jì)算軟件計(jì)算比熱（無(wú)此軟件也可手工計(jì)算）。三線法測(cè)量KCL比熱第12頁(yè)/共45頁(yè) Stepscan

7、 測(cè)量比熱。通過(guò)在一系列小區(qū)間的升溫等溫的溫度程序?qū)崿F(xiàn)。不需要標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，只要做一條振蕩的基線熱流和一條振蕩的熱流曲線實(shí)驗(yàn)步驟如下： 稱取質(zhì)量相同的一對(duì)鋁皿，一個(gè)用作試樣皿，稱取樣品放入并卷邊，另一個(gè)空皿按同樣方法卷邊。 放參比皿（空皿）于參比側(cè)，空皿于試樣側(cè)；溫度調(diào)至50，熱流穩(wěn)定后實(shí)施Stepscan溫度程序獲取原始基線熱流曲線。溫度程序?yàn)椋撼鯗?0，第二點(diǎn)溫度52，升溫速率10/min，等溫時(shí)間0.8min，重復(fù)次數(shù)為15次 取出試樣側(cè)空皿，放盛有被測(cè)樣品的試樣皿，重復(fù)上述的程序，獲取試樣的原始熱流曲線，有了以上兩條熱流曲線，就可以用軟件提供的功能計(jì)算比熱值。第13頁(yè)/共45頁(yè)圖2-12

8、Stepscan DSC的溫度程序圖2-14 Stepscan DSC測(cè)量比熱的計(jì)算結(jié)果圖2-13 Stepscan DSC測(cè)量比熱的原始振蕩熱流和原始基線熱流第14頁(yè)/共45頁(yè)三、熱導(dǎo)率：反映物質(zhì)傳導(dǎo)熱能力的性質(zhì)參數(shù)。 穩(wěn)態(tài)法：實(shí)驗(yàn)測(cè)量待測(cè)試樣上溫度分布達(dá)到穩(wěn)定后進(jìn)行，其分析的出發(fā)點(diǎn)是穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)熱微分方程，能直接測(cè)得導(dǎo)熱系數(shù)。這種方法的特點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)公式簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，需要測(cè)量導(dǎo)熱量(直接或間接地)和若干點(diǎn)的溫度。非穩(wěn)態(tài)法：實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中試樣溫度隨時(shí)間變化，其分析的出發(fā)點(diǎn)是不穩(wěn)定導(dǎo)熱微分方程，常常只能直接測(cè)得導(dǎo)溫系數(shù)，間接算得導(dǎo)熱系數(shù)。特點(diǎn)是，實(shí)驗(yàn)公式常不如穩(wěn)態(tài)法那樣簡(jiǎn)單、直觀，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短，需要

9、測(cè)量試樣上苦干點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律，一般不必測(cè)量導(dǎo)熱量。第15頁(yè)/共45頁(yè)第16頁(yè)/共45頁(yè)探針原理 探針?lè)ㄊ腔诰€熱源理論，線熱源可以看成是無(wú)數(shù)點(diǎn)熱源組成，每個(gè)點(diǎn)熱源以恒定功率持續(xù)放熱。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，由于熱傳導(dǎo)，在具有常物性的介質(zhì)中離線熱源距離為r處的溫升為 ：kQT4duueu20ln4ttkQT第17頁(yè)/共45頁(yè)第18頁(yè)/共45頁(yè)四、熱擴(kuò)散率：物質(zhì)內(nèi)部熱擴(kuò)散的能力。1 計(jì)算2 測(cè)量：熱擴(kuò)散率的測(cè)試方法有周期熱流法，激光脈沖洗，常功率平面熱源法等。)(pca第19頁(yè)/共45頁(yè)3-3 食品材料的熱物理數(shù)據(jù)熱物理數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)食品材料的熱物理性質(zhì)的測(cè)量是從18世紀(jì)開(kāi)始的。目前的數(shù)據(jù)中有三分之二

10、左右是在20世紀(jì)5060年代發(fā)表的。嚴(yán)格地講，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)講清實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)條件(如溫度、壓力、相對(duì)濕度等)及材料的情況和處理方法度；而實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)給出數(shù)據(jù)的偏差范圍及測(cè)量精度。目前的數(shù)據(jù)大都達(dá)不到這些要求，很多數(shù)據(jù)離散度很大。一、比熱容 一些食品的比熱容值見(jiàn)表3-6第20頁(yè)/共45頁(yè)計(jì)算凍結(jié)前比熱容的近似公式：cWp08373349.(Siebel，1892) cWp12002990.(Backstrom & Emblik，1965) cWp13822805.(Dominguez，1974)cWp12562931.(Comini，1974)cWp14702720.(Lamb，1976)c

11、Wp16722508.(Riedel，1956)計(jì)算凍結(jié)后比熱容的近似公式：cWp08371256.(Siebel，1892)Cp與W的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3-2(Next Page)第21頁(yè)/共45頁(yè)圖3-2 一些食品材料的凍前比熱容與含水量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分布第22頁(yè)/共45頁(yè) 二、焓值 在凍結(jié)過(guò)程中, 用食品的冰點(diǎn)是變化的,因此在計(jì)算熱負(fù)荷時(shí),焓值較方便. 圖3-3 3-4 3-5 表37（計(jì)算值） 三、熱導(dǎo)率(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)） 圖3-6 3-7 表3-8 四、熱擴(kuò)散率 熱擴(kuò)散率的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)很少，而且均是針對(duì)未凍結(jié)食品的，ASHRAE手冊(cè)給出了一些實(shí)測(cè)值，這些實(shí)測(cè)值絕大數(shù)分布在0.100.13mm2/s之間；

12、 而水在25時(shí)的值為0.14510-6m2/s=0.145mm2/s。第23頁(yè)/共45頁(yè)第24頁(yè)/共45頁(yè)圖3-6 食品材料熱導(dǎo)率和 溫度的關(guān)系圖3-7 食品材料熱導(dǎo)率和含水量、溫度的關(guān)系第25頁(yè)/共45頁(yè) 表 3-6 一些食品材料的含水量、凍前比熱容、凍后比熱容和融化熱數(shù)據(jù)含水量(wt%)初始凍結(jié)溫度/ 凍前比熱容KJ/(kgK)凍后比熱容KJ/(kgK)融化熱KJ/kg1. 蔬菜蘆筍930.64.002.01312干菜豆411.950.9837甜菜根881.13.881.95295胡蘿卜881.43.881.95295花椰菜920.83.982.00308芹菜940.54.032.0231

13、5甜玉米740.63.531.77248黃瓜960.54.082.05322茄子930.84.002.01312大蒜61204姜873.851.94291韭菜850.73.801.91285萵苣950.24.062.04318蘑菇910.93.951.99305青蔥890.93.901.96298干洋蔥880.83.881.95295青豌豆740.63.531.77248四季蘿卜950.74.062.04318菠菜930.34.002.01312西紅柿940.54.032.02315青蘿卜900.23.931.97302蘿卜921.13.982.00308水芹菜930.3

14、4.002.01312第26頁(yè)/共45頁(yè)第27頁(yè)/共45頁(yè)第28頁(yè)/共45頁(yè)3-4 食品材料熱物理性質(zhì)的估算方法一、密度 Hsiek(1972)提出1111 WWWWvvssiiiii 根據(jù)食品的組分、各組分的熱物理性質(zhì)，來(lái)估算食品材料熱物理性質(zhì)的方法。在工程上有重要的應(yīng)用，但對(duì)某些食品仍有較大偏差，這是因?yàn)闊嵛锢硇再|(zhì)不僅與其含水量、組分、溫度有關(guān)，而是還與食品的結(jié)構(gòu)、水和組分的結(jié)合情況等有關(guān). （各組分的熱物理性質(zhì)）第29頁(yè)/共45頁(yè)二、比熱容 高于初始凍結(jié)溫度的情況 含水量第三節(jié) 按組分Heldman和Singh(1981年）Choi和Okos(1983年)食品中水分、蛋白質(zhì)、碳水化合物、

15、脂肪、和灰分含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 低于初始凍結(jié)溫度的情況 cp=0.837+1.256w（完全凍結(jié)） “表觀比熱容”（appparent specific heat）cHTpapcWWWWWpwpcfa4181549142416750837.cWWWWWpwpcfa41801711157419280908.第30頁(yè)/共45頁(yè)三、熱導(dǎo)率 高于初始凍結(jié)溫度的情況 組分： Choi和Okos(1983年)Sweat(1995) 水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：061020020501750135.WWWWWwpcfa05801550250160135.WWWWWwpcfavv1 122vv11221兩種組分第31頁(yè)/共45

16、頁(yè)2 低于初始凍結(jié)溫度的情況凍結(jié)食品的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于未凍食品。要預(yù)測(cè)凍結(jié)食品的熱導(dǎo)率極困難，不僅因?yàn)闊釋?dǎo)率與纖維方向有關(guān)，而且因?yàn)樵趦鼋Y(jié)過(guò)程中食品的密度、空隙度等都會(huì)有明顯的變化，而這些都對(duì)熱導(dǎo)率產(chǎn)生很大的影響。Choi和Okos（1984）提出根據(jù)各組份的體積分?jǐn)?shù)和熱導(dǎo)率計(jì)算食品材料熱導(dǎo)率的方法4。(3-25)各組份的體積分?jǐn)?shù)、密度和熱導(dǎo)率。在計(jì)算過(guò)程中未凍水和已凍冰作為兩個(gè)組份處理。 iiivicdcdccv111cvddc21 c連續(xù)相組份的熱導(dǎo)率d 擴(kuò)散相組份的熱導(dǎo)率；d 擴(kuò)散相組份所占的體積分?jǐn)?shù) 第32頁(yè)/共45頁(yè)第33頁(yè)/共45頁(yè)第34頁(yè)/共45頁(yè) 計(jì)算凍結(jié)前比熱容的近似公式： cW

17、p08373349. (Siebel，1892) cWp12002990. (Backstrom & Emblik，1965) cWp13822805. (Dominguez，1974) cWp12562931. (Comini，1974) cWp14702720. (Lamb，1976) cWp16722508. (Riedel，1956) 第35頁(yè)/共45頁(yè)一、食品容器材料的熱物理性質(zhì)二、常用包裝材料的厚度和熱阻三、食品包裝膜的氣體滲透率四、包裝材料的蒸汽滲透率第36頁(yè)/共45頁(yè)第37頁(yè)/共45頁(yè)表 3-11 幾種常用包裝材料的熱阻 材料 厚度 /mm 熱阻 KmW2/ 蠟紙板 0

18、.625 0.0096 帶玻璃紙的蠟紙板 0.568 0.0109 0.509 0.0070 鋁箔 0.599 0.0095 0.568 0.0075 雙層蠟防水紙 0.212 0.0035 第38頁(yè)/共45頁(yè))(vGtFPp正比于第39頁(yè)/共45頁(yè)表3-13 在膜內(nèi)外相對(duì)濕度差為90時(shí)，一些食品包裝膜的水蒸氣滲透率(37.8)10p的單位是gmil/（m224hatm）p水蒸氣聚乙烯（PE）（低密度） （高密度）205 玻璃紙5聚丙烯（polypropylene）5聚氯乙烯（PVP）（軟）90第40頁(yè)/共45頁(yè)1 分子擴(kuò)散Ficks定律：2 組分在氣、液、固體中的擴(kuò)散系數(shù)3 食品材料中的水分遷移 在食品處理中，水分的遷移是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，它可能包括分子擴(kuò)散、毛細(xì)管流動(dòng)、Knudsen流動(dòng)、流體流動(dòng)等多種因素。用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得的用于表征此過(guò)程的是有效濕擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusivity of moisture)De。 食品的物理結(jié)構(gòu)對(duì)水分的擴(kuò)散性能起了重要的作用，多空結(jié)構(gòu)(如用冷凍干燥處理過(guò)的)，其有效濕擴(kuò)散系數(shù)De明顯增大；而脂肪會(huì)使De明顯降低。例如30的水在全大豆中有效濕擴(kuò)散系數(shù)De2.010-12m2/s，而在脫脂大豆中De5.410-12 m2/s。表3-14 3-15表3-14 3-15表3-16第41