食品的熱特性

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)傳熱的基本方式

熱傳導(dǎo)(conduction);對(duì)流(convection);輻射(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，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的部分，或傳遞到與之接觸的另一物體的過(guò)程稱(chēng)為熱傳導(dǎo)，又稱(chēng)導(dǎo)熱。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，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。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。1.熱傳導(dǎo)（又稱(chēng)導(dǎo)熱）

Fourier定律:

式中：Φ——熱流量，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]；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）[W/(mK)]。上式稱(chēng)為Fourier定律，號(hào)稱(chēng)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

2.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，特點(diǎn)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，即熱由流體傳遞到固體表面(或反之)的過(guò)程，通常將它稱(chēng)為對(duì)流傳熱(也稱(chēng)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

Q——對(duì)流傳熱速率，W；

A——傳熱面積，m2

Δt——對(duì)流傳熱溫度差，

Δt=T-TW或Δt=tw-t，℃；

T——熱流體平均溫度，℃；

TW——與熱流體接觸的壁面溫度，℃；

t——冷流體的平均溫度，℃；

tW——與冷流體接觸的壁面溫度，℃；

a——對(duì)流傳熱系數(shù)，W/m2·K（或W/m2·℃）。

牛頓冷卻定律。Q=αA（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α

因素：流速、流體物性、壁面形狀大小3、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。物體之間相互輻射和吸收能量的總結(jié)果，稱(chēng)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。第二節(jié)食品傳熱特性的主要參數(shù)一、比熱

1概述物質(zhì)的比熱Cp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，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)定混合法：將一已知質(zhì)量Ms的樣品加熱至溫度Ts，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Mc，流體質(zhì)量為Mf，容器和流體的溫度均為T(mén)f

，

。為了防止熱量散失到周?chē)目臻g里，量熱器絕熱良好。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度，當(dāng)溫度達(dá)到Tav

的平衡值時(shí)測(cè)出該值。

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?chē)l(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)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(lèi)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(lèi)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、?dǎo)熱系數(shù)

1概述導(dǎo)熱率又稱(chēng)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

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)

金屬：35～420W/(m·℃)，非金屬：0.2～3.0W/(m·℃)固體中，金屬是最好的導(dǎo)熱體。純金屬：t↑，λ↓金屬：純度↑，λ↑非金屬：ρ，t↑，λ↑液體的導(dǎo)熱系數(shù)金屬液體：其λ比一般液體高，其中純Na最高非金屬液體：純液體的λ比其溶液的大.(金屬液體,非金屬液體)t↑，λ↓(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：λ

m=0.9∑aiλia組分的質(zhì)量分率,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：λ

m=∑aiλ

i溫度的影響：t↑，λ↑P的影響:一般壓強(qiáng)范圍內(nèi)，λ隨壓強(qiáng)變化很小，可忽略過(guò)高(>2×105kPa)、過(guò)低(<3kPa)時(shí)，P↑，λ↑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：

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)〖說(shuō)明〗對(duì)大多數(shù)固體，λ值與溫度大致成線性關(guān)系：式中：λ－固體在溫度為t℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)

λ

0－固體在溫度為0℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)

β－溫度系數(shù)。大多數(shù)金屬β<0,大多數(shù)非金屬β>02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常用于肉、魚(yú)等纖維狀食品，

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，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(shù)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)探針熱電偶溫度（℃）t1，t2：探針加熱器加熱時(shí)間（s）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T(mén)2

溫度下的焓，h1為T(mén)1

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)門(mén)2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