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1、第三章 食品材料的热物理性质和水分的扩散系数,郑艺华生物系统热科学与技术研究所,热物理性质,热力学性质：系统状态的宏观物理量,迁移性质：与迁移过程有关,P,V,T 等,导热，对流，扩散等,3-1 水和冰的热物理性质,水在食品中占有很大比例，并且决定食品的代谢速度。 有必要先讨论水的热物理性质。,一、水和冰的密度,水和冰的密度变化如图。 水的密度存在最大值，冰的密度随温度下降。保证生命延续。,二、水和冰的体膨胀系数,温度下降，水和冰的体积均收缩。 水结冰后，体积要膨胀大约9%。,含水分多的食品材料被冻结时体积将会膨胀。 由于冻结过程是从表面逐渐向中心发展的，即表面水外首先冻结；而当内部的水分因冻
2、结而膨胀时就会受到外界层的阻挡，于是产生很高的内压(被称为冻结膨胀压)，而使外层破裂或食品内部龟裂，或使细胞破坏，细胞质流出。食品品质下降。需快速冻结。,三、水和冰的比热容,水的比热容随温度上升而下降。 冰的比热容随温度上升而上升。 水的比热比冰的比热容大，融化过程慢。,四、水和冰的热导率,水随温度增大而增大。 冰随温度增大而减小。 水的热导率比冰的小。,五、水和冰的热扩散率,表示内部温度扯平的能力。 水的随温度增大而增大。 冰的随温度增大而减少。 冰的比水的大。,六、冰的融化热,即潜热。 冰在0C的融化热为344.5kJ/g或6.03kJmol。,3-2 食品材料热物理性质的测量,比热容 在
3、恒温槽中直接测量使食品材料温度升高所需的热量。 差示扫描量热仪（） 焓 按冻结潜热、冻结率和比热容的数据计算得到。 差示扫描量热仪（） 热导率 稳态方法，热流法等 非稳态方法，探针法等 热扩散率 按照其定义进行数据计算得到。 实验方法。,功率补偿型(Power Compensation) 在样品和参比品始终保持相同温度的条件下，测定为满足此条件样品和参比品两端所需的能量差，并直接作为信号Q（热量差）输出。热流型(Heat Flux) 在给予样品和参比品相同的功率下，测定样品和参比品两端的温差T，然后根据热流方程，将T（温差）换算成Q（热量差）作为信号的输出。,DSC的基本原理,热流型 DSC,
4、功率补偿型 DSC,工作原理简图,精确的温度控制和测量,更快的响应时间和冷却速度,高分辨率,基线稳定,高灵敏度,Sample,PerKin Elmer Pyris 1 DSC,仪器简要说明Pyris 1 DSC是功率补偿差示扫描量热仪。DSC按程序升温，经历样品材料的各种转变如熔化、玻璃化转变、固态转变或结晶，研究样品的吸热和放热反应。 仪器应用范围可用于测量包括高分子材料在内的固体、液体材料的熔点、沸点、玻璃化转变、比热、结晶温度、结晶度、纯度、反应温度、反应热。,仪器性能指标温度范围：-170725C 样品量：0.5到30mg 量热灵敏度：0.2微瓦 温度精度：0.01C 加热速率：0.1
5、500C/min 量热精度：0.1%,热导率的测量,热量传递的三种基本方式是：对流，辐射与传导。对流是流体与气体的主要传热方式，对固态与多孔材料传热不起重要作用。热导率即是导热系数，表示传导热量的能力。Fourier 方程 Q = -Tx Q 代表单位表面积在厚度(x)上由温度梯度(T)产生的热流量。两个因子都与导热系数（）相关联。在温度梯度与几何形状固定(稳态)的情况下，导热系数代表了需要多少能量才能维持该温度梯度。,稳态方法,热流法： 将厚度一定的方形样品插入于两个平板间，设置一定的温度梯度。使用校正过的热流传感器测量通过样品的热流，传感器在平板与样品之间和样品接触。测量样品厚度、温度梯度
6、与通过样品的热流便可计算导热系数。 保护热流法： 对于较大的、需要较高量程的样品，可以使用保护热流法导热仪。其测量原理几乎与普通的热流法导热仪相同。不同之处是测量单元被保护加热器所包围，因此测量温度范围和导热系数范围更宽。 保护热板法： 与热流法相似。热源位于同一材料的两块样品中间。使用两块样品是为了获得向上与向下方向对称的热流，并使加热器的能量被测试样品完全吸收。测量过程中，精确设定输入到热板上的能量。通过调整输入到辅助加热器上的能量，对热源与辅助板之间的测量温度和温度梯度进行调整。热板周围的保护加热器与样品的放置方式确保从热板到辅助加热器的热流是线性的、一维的。测量加到热板上的能量、温度梯
7、度及两片样品的厚度，应用 Fourier 方程便能够算出材料的导热系数。,Sample,Cooling side,Heating side,T,Thermocouples,优点：-ASTM标准-原理简单，易于设计,缺点：-测试时间较长-样品与热电偶之间存在接 触热阻,动态（瞬时）测量法,动态测量法是最近几十年内开发的导热系数测量方法，动态法的特点是精确性高、测量范围宽（最高能达到 2000）、样品制备简单。 热线法：热线法是在样品中插入一根热线。测试时，在热线上施加一个恒定的加热功率，使其温度上升。测量热线本身的或与热线相隔一定距离的平板的温度随时间上升的关系。由于被测材料的导热性能决定这一关
8、系，所以测定它是导热系数一种测量方法。测量热线的温升有多种方法。其中交叉线法是用焊接在热线上的热电偶直接测量热线的温升。平行线法是测量与热线隔着一定距离的一定位置上的温升。热阻法是利用热线（多为铂丝）电阻与温度之间的关系测量热线本身的温升。 探针法：探针中有加热线和测温元件。当探针插入后，加热丝提供一定热量，测温元件测量温度变化，则温度变化与时间存在关系。 激光闪射法：该方法直接测量材料的热扩散性能。在已知样品比热与密度的情况下，便可以得到样品的导热系数。应用闪光扩散法时，平板形样品在炉体中被加热到所需的测试温度。随后，由激光仿生器或闪光灯产生的一束短促（ 1ms）光脉冲对样品的前表面进行加热
9、。热量在样品中扩散，使样品背部温度的上升。用红外探测器测量温度随时间上升的关系。,激光闪光法,激光光源,接受器,样品,light,IR-radiation,优点：- 尤其适用于高温测试- 无须接触样品- 测试速度较快,缺点：- 价格较高- 热辐射及样品吸收 - 假设样品是各向同性,3-3 食品材料的热物理数据,食品材料的热物理性数据不仅与其成分有关(如水、蛋白质、脂肪、碳水化食物等)，而且与其处理方法有关。因此热物理数据应指明实验的材料尺寸大小、表面情况、空隙度、纤维方向等。并应讲清实验方法、实验条件(如温度、压力、相对湿度等)，实验结果给出数据的偏差范围和测量精度。 食品材料的热物理性质的测
10、量是从18世纪开始的。目前的数据中三分之二左右是在本世纪50一60年代发表的。关于食品材料热物理性质的数据，收集最全的是美国供热制冷空调工程师协会（ASHKAE)出版的手册。 常见食品的比热容、焓值、热导率、热扩散率的数据见书中图表。,3-4 食品材料热物理性质的估算方法,如何根据食品的组分、各组分的热物理性质，来估算食品材料热物理性质的方法。在工程中有重要的应用。 对某些食品仍有较大偏差，这是因为热物理性质不仅与其含水量、组分、温度有关，而是还与食品的结构、水和组分的结合情况等有关。 表39给出了一些食品组分的热物理性质。,一、密度,Hsiek提出用下式计算食品材料的密度如食品有明显的空隙度。则建议采用草莓密度的计算例子。,二、比热容,高于初始冻结温度,低于初始冻结温度,三、热导率,高于初始冻结温度,低于初始冻结温度 冰的热导率高于水的热导率，故冻结食品的热导率也高于未冻食品。 预测冻结食品的热导率是及其困难的，不仅因为热导率与纤维方向有关，而且密度、空隙度等会有明显变化。,3-5 包装材料的性质,食品容器材料的热物理性质。 常用包装材料的厚度和热阻。 食品包装膜的气体渗透率。 包装材料的水蒸气渗透率。,3-6 食品材料中水分的扩散系数,食品材料中的水分迁移,
