食品材料的热物理性质和水分的扩散系数

3-1 水和冰的热物理性质水和冰的热物理性质 3-2 食品材料热物理性质的测量食品材料热物理性质的测量 3-3 食品材料热物理数据食品材料热物理数据 3-4 食品材料热物理性质的估算方法食品材料热物理性质的估算方法 3-5 包装材料的性质包装材料的性质 3-6 食品材料中水分的扩散系数食品材料中水分的扩散系数一、密度一、密度 二、体膨胀系数二、体膨胀系数 三、比热容三、比热容Cp四、热导率四、热导率 五、热扩散率五、热扩散率a六、融化热六、融化热表表 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表表 3-2a 水水的的(体体积积)热热膨膨胀胀系系数数 T/02468/106(1/K)68.132.70.2731.2460.41表表 3-2b 冰冰的的(体体积积)热热膨膨胀胀系系数数 T/0255075 100 125 150 175/106(1/K)5750433831241712（V/V）/T表表 3-3a 水水的的比比热热容容T/0102030Cp/KJ/(kgK)4.21774.19224.18194.1785表表 3-3b 冰冰的的比比热热容容T/01020304050Cp/KJ/(kgK)2.122.041.961.881.801.73T/607080100120140Cp/KJ/(kgK)1.651.571.491.341.181.03表表3-4a水水的的热热导导率率 T/051015202530/W/(m K)0.5610.5700.5790.5880.597 0.606 0.613表表3-4b 冰冰的的热热导导率率 T/020406080 100 120/W/(m K)2.242.432.662.913.183.473.81表表 3-5a 水的热扩散系数水的热扩散系数T/010203040a /106(m2/s)0.1330.1380.1430.1470.150表表 3-5b 冰的热扩散系数冰的热扩散系数T/0255075100a /106(m2/s)1.151.411.752.212.81/（cp）冰在0的融化热：或一、焓：一、焓：Q,相对值相对值 过去多取-20C冻结态的焓值为其零点 近来多取-40C冻结态的焓值为其零点 热量测量的一般原理，用量热计接受待测热量，根据量热计的状态变化量及对既知电能或标准物质热的标定结果，确定待测热量。其关系可用下面方框图表示。热平衡型量热计热平衡型量热计(therma1egui1ibration calorimeter)：使量热计和被测物体的热交换变化的最终态是热平衡态，或是使量热计与被测物体的热交换始终处于热稳定态或热准稳态。这样就可以据能量平衡定律，从量热计的标准物质的已知物性(比热、相变热)，已知质量及其温度改变量或发生相态改变量，算出从待测物体上吸收的热量。等温型冰量热计。传导型量热计传导型量热计(conduction calorimeter)：也称热漏型量热计，利用在等温面上测定待测热物体传导给等温边界的逃逸热流，并对等温面通过的热流进行时间积分的方法来测定热量。温差式热流量热计。热相似型量热计热相似型量热计（thermal similar calorimeter)：制造一个电加热测量系统，使之与待测系统的热边界条件完全相同，这样两系统对外界的热交换情况则完全相同，因而可以根据电加热系统的电功率及其内部的标准物质的物性和状态变化，求得待测系统的得失热量。差示扫描量热计。按测量原理，可把量热计分作三大类：按测量原理，可把量热计分作三大类：PE的功率补偿的功率补偿DSC原理图原理图二、比热容：二、比热容：使单位质量的物体温度升高使单位质量的物体温度升高1度度所必要的热量，所必要的热量，J/（kgK)“三线法三线法”比热测量：比热测量：将参比皿和用于跑基线的皿分别放在仪器的参比侧（右侧）和样品侧（左侧），编制等温升温等温的温度程序，获得一条热流曲线(一般升温的温度范围不要超过50)。将试样侧的空皿取出，放入标准物质，按同样的温度程序获得一条热流曲线。将试样侧的标准物质取出，放入被测物质，仍按相同温度程序获得热流曲线。有了三条热流曲线，即可利用仪器的比热计算软件计算比热（无此软件也可手工计算）。三线法测量KCL比热 Stepscan 测量比热。通过在一系列小区间的测量比热。通过在一系列小区间的升温升温等温的温度程序实现。不需要标准物等温的温度程序实现。不需要标准物质，只要做一条振荡的基线热流和一条振荡质，只要做一条振荡的基线热流和一条振荡的热流曲线实验步骤如下：的热流曲线实验步骤如下：称取质量相同的一对铝皿，一个用作试样皿，称称取质量相同的一对铝皿，一个用作试样皿，称取样品放入并卷边，另一个空皿按同样方法卷边。取样品放入并卷边，另一个空皿按同样方法卷边。放参比皿（空皿）于参比侧，空皿于试样侧；温放参比皿（空皿）于参比侧，空皿于试样侧；温度调至度调至50，热流稳定后实施，热流稳定后实施Stepscan温度程序温度程序获取原始基线热流曲线。温度程序为：初温获取原始基线热流曲线。温度程序为：初温50，第二点温度第二点温度52，升温速率，升温速率10/min，等温时间，等温时间，重复次数为重复次数为15次次 取出试样侧空皿，放盛有被测样品的试样皿，重取出试样侧空皿，放盛有被测样品的试样皿，重复上述的程序，获取试样的原始热流曲线，有了复上述的程序，获取试样的原始热流曲线，有了以上两条热流曲线，就可以用软件提供的功能计以上两条热流曲线，就可以用软件提供的功能计算比热值。算比热值。图2-12 Stepscan DSC的温度程序图2-14 Stepscan DSC测量比热的计算结果图2-13 Stepscan DSC测量比热的原始振荡热流和原始基线热流三、热导率：三、热导率：反映物质传导热能力的性质参反映物质传导热能力的性质参数。数。稳态法：实验测量待测试样上温度分布达到稳定后进行，其分析的出发点是稳态的导热微分方程，能直接测得导热系数。这种方法的特点是实验公式简单，实验时间长，需要测量导热量(直接或间接地)和若干点的温度。非稳态法：实验测量过程中试样温度随时间变化，其分析的出发点是不稳定导热微分方程，常常只能直接测得导温系数，间接算得导热系数。特点是，实验公式常不如稳态法那样简单、直观，实验时间短，需要测量试样上苦干点的温度随时间变化的规律，一般不必测量导热量。探针原理 探针法是基于线热源理论，线热源可以看成是无数点热源组成，每个点热源以恒定功率持续放热。经过一段时间，由于热传导，在具有常物性的介质中离线热源距离为r处的温升为：kQT4duueu20ln4ttkQT四、四、热扩散率：物质内部热扩散的能力。热扩散率：物质内部热扩散的能力。1 计算2 测量：热扩散率的测试方法有周期热流法，激光脉冲洗，常功率平面热源法等。)(pca热物理数据的缺点食品材料的热物理性质的测量是从18世纪开始的。目前的数据中有三分之二左右是在20世纪5060年代发表的。严格地讲，实验数据应讲清实验方法、实验条件(如温度、压力、相对湿度等)及材料的情况和处理方法度；而实验结果应给出数据的偏差范围及测量精度。目前的数据大都达不到这些要求，很多数据离散度很大。一、比热容一、比热容 一些食品的比热容值见表3-6计算冻结前比热容的近似公式：cWp08373349.(Siebel，1892)cWp12002990.(Backstrom&Emblik，1965)cWp13822805.(Dominguez，1974)cWp12562931.(Comini，1974)cWp14702720.(Lamb，1976)cWp16722508.(Riedel，1956)计算冻结后比热容的近似公式：cWp08371256.(Siebel，1892)Cp与与W的实验数据见图的实验数据见图3-2(Next Page)图图3-2 一些食品材料的冻前比热容与含水量的实测数据分布一些食品材料的冻前比热容与含水量的实测数据分布 二、焓值二、焓值 在冻结过程中,用食品的冰点是变化的,因此在计算热负荷时,焓值较方便.图3-3 3-4 3-5 表37（计算值）三、热导率热导率(实验数据）实验数据）图3-6 3-7 表3-8 四、热扩散率热扩散率 热扩散率的实测数据很少，而且均是针对未冻结食品的，ASHRAE手册给出了一些实测值，这些实测值绝大数分布在2/s之间；而水在25时的值为0.14510-6m22/s。图图3-6 食品材料热导率和食品材料热导率和 温度的关系温度的关系图图3-7 食品材料热导率和含食品材料热导率和含水量、温度的关系水量、温度的关系 表 3-6 一些食品材料的含水量、冻前比热容、冻后比热容和融化热数据含水量(wt%)初始冻结温度/冻前比热容KJ/(kgK)冻后比热容KJ/(kgK)融化热KJ/kg1.蔬菜芦笋930.64.002.01312干菜豆411.950.9837甜菜根881.13.881.95295胡萝卜881.43.881.95295花椰菜920.83.982.00308芹菜940.54.032.02315甜玉米740.63.531.77248黄瓜960.54.082.05322茄子930.84.002.01312大蒜610.83.201.61204姜873.851.94291韭菜850.73.801.91285莴苣950.24.062.04318蘑菇910.93.951.99305青葱890.93.901.96298干洋葱880.83.881.95295青豌豆740.63.531.77248四季萝卜950.74.062.04318菠菜930.34.002.01312西红柿940.54.032.02315青萝卜900.23.931.97302萝卜921.13.982.00308水芹菜930.34.002.01312一、密度 Hsiek(1972)提出1111 WWWWvvssiiiii 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。在工程上有重要的应用，但对某些食品仍有较大偏差，这是的方法。在工程上有重要的应用，但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结构、水和组分的结合情况等有关.（各组分的热物理性质）二、比热容 高于初始冻结温度的情况高于初始冻结温度的情况 含水量第三节 按组分Heldman和Singh(1981年）Choi和Okos(1983年)食品中水分、蛋白质、碳水化合物、脂肪、和灰分含量的质量分数 低于初始冻结温度的情况低于初始冻结温度的情况 cp（完全冻结）“表观比热容”（appparent specific heat）cHTpapcWWWWWpwpcfa4181549142416750837.cWWWWWpwpcfa41801711157419280908.三、热导率 高于初始冻结温度的情况 组分：Choi和Okos(1983年)Sweat(1995)水的质量分数：061020020501750135.WWWWWwpcfa05801550250160135.WWWWWwpcfavv1 122vv11221两两种种组组分分2 低于初始冻结温度的情况冻结食品的热导率远高于未冻食品。要预测冻结食品的热导率极困难，不仅因为热导率与纤维方向有关，而且因为在冻结过程中食品的密度、空隙度等都会有明显的变化，而这些都对热导率产生很大的影响。Choi和Okos（1984）提出根据各组份的体积分数和热导率计算食品材料热导率的方法4。(3-25)各组份的体积分数、密度和热导率。在计算过程中未冻水和已冻冰作为两个组份处理。iiivicdcdccv111cvddc21 c连续相组份的热导率连续相组份的热导率d 扩散相组份的热导率；扩散相组份的热导率；d 扩散相组份所占的体积分数扩散相组份所占的体积分数 计算冻结前比热容的近似公式：cWp08373349.(Siebel，1892)cWp12002990.(Backstrom&Emblik，1965)cWp13822805.(Dominguez，1974)cWp12562931.(Comini，1974)cWp14702720.(Lamb，1976)cWp16722508.(Riedel，1956)一、食品容器材料的热物理性质一、食品容器材料的热物理性质二、常用包装材料的厚度和热阻二、常用包装材料的厚度和热阻三、食品包装膜的气体渗透率三、食品包装膜的气体渗透率四、包装材料的蒸汽渗透率四、包装材料的蒸汽渗透率表3-10 一些食品容器材料的热物理性质热导率w/（mk）比热容KJ/（kgk）有效密度kg/m3热扩散系数m2/s不锈钢160.5079004.0硼硅玻璃1.100.8422000.60尼龙0.241.711000.13聚乙烯（高密度）0.842.39600.22聚乙烯（低密度）0.332.39300.15聚丙烯0.121.99100.069聚四氟乙烯0.261.021000.12表 3-11 几种常用包装材料的热阻 材料 厚度/mm 热阻 KmW2/蜡纸板 0.625 0.0096 带玻璃纸的蜡纸板 0.568 0.0109 0.509 0.0070 铝箔 0.599 0.0095 0.568 0.0075 双层蜡防水纸 0.212 0.0035 表 3-12 一些食品包装膜的气体渗透率(25)10p的单位是 cm3mil/（m224hatm）（mil=103in=0.0154mm）pO2CO2聚乙烯（PE）（低密度）（高密度）85009300450007000玻璃纸15200聚丙烯（polypropylene）15002300聚氯乙烯（PVP）（软）1506000)(vGtFPp正比于表3-13 在膜内外相对湿度差为90时，一些食品包装膜的水蒸气渗透率(37.8)10p的单位是gmil/（m224hatm）p水蒸气聚乙烯（PE）（低密度）（高密度）205 玻璃纸5聚丙烯（polypropylene）5聚氯乙烯（PVP）（软）901 分子扩散分子扩散Ficks定律：定律：2 组分在气、液、固体中的扩散系数组分在气、液、固体中的扩散系数3 食品材料中的水分迁移食品材料中的水分迁移 在食品处理中，水分的迁移是个复杂的过程，它可能包括分子扩散、毛细管流动、Knudsen流动、流体流动等多种因素。用实验方法测得的用于表征此过程的是有效湿扩散系数(apparent diffusivity of moisture)De。食品的物理结构对水分的扩散性能起了重要的作用，多空结构(如用冷冻干燥处理过的)，其有效湿扩散系数De明显增大；而脂肪会使De明显降低。例如30的水在全大豆中有效湿扩散系数De2.010-12m2/s，而在脱脂大豆中De5.410-12 m2/s。表3-14 3-15表3-14 3-15表3-16 分子扩散是由于分子的无规则运动引起的质量迁移。对于一个两元系统（A，B）在单位时间内，组份A通过单位面积的质量迁移流为，按Ficks定律(3-26)其中p是组份A的浓度，单位为kg/m3；Z是扩散途径，单位为mDAB是组份A对组份B的扩散系数，单位为m2/s；JA是扩散质量流，单位为kg/(m2s)。因此，扩散系数的量纲为m2/s。扩散系数是此系统的物理性质，对于食品材料来说，多组份的系统，可以研究若干种扩散组份在食品系统中的扩散系数。对本书目的而言，我们更关心水分在食品材料中的扩散系数。dZdDJAABA表 3-14 在大气压力下各种气体和蒸汽在空气中的扩散系数(105m2/s)H2O2CO2水蒸气乙醛乙酸醋酸乙醛已醛丁醛6.111.781.382.601.061.330.710.800.7表3-15 某些与食品有关的组份在稀水溶液中的扩散系数(109m2/s，25)O2CO2SO2乙醛乙酸尿素催化酶2.412.001.701.241.261.370.041蔗糖乳糖NaCl咖啡因肌红蛋白大豆蛋白过氧化酶0.560.491.610.630.1130.030.012表3-16 某些与食品有关的组份在固体中的扩散系数(10-11m2/s)扩散组份固体材料温度/D/(10-11m2/s)O2橡胶2521CO2橡胶2511N2橡胶2515 醋酸纤维素水(12%含水量)250.32(5%含水量)250.20NaCl离子交换树脂(Dowex50)509.5环乙烷洋山芋2020蔗糖琼脂凝胶(冻粉)525