農(nóng)業(yè)物料學(xué)-第二章-2011-2012課件

PhysicalPropertiesofAgriculturalMaterials農(nóng)業(yè)物料物理特性課程考核課程講授：課堂講授+部分實(shí)驗(yàn)課程要求：基本理論及應(yīng)用、測(cè)試原理與方法課程考核：平時(shí)成績(jī)（30%）作業(yè)成績(jī)（70%）聯(lián)系方式：

公用郵箱：密碼：123456個(gè)人郵箱：參考書(shū)目：《農(nóng)業(yè)物料學(xué)》，周祖鍔主編，農(nóng)業(yè)出版社，1995《農(nóng)業(yè)物料學(xué)》，趙學(xué)篤等，機(jī)械工業(yè)出版社，1985《農(nóng)業(yè)流變學(xué)導(dǎo)論》，李翰如，潘君拯，農(nóng)業(yè)出版社，1990《粘性流體力學(xué)》，章梓雄等，清華大學(xué)出版社，1999《非粘性流體力學(xué)》，董曾南等，清華大學(xué)出版社，2003《食品物性學(xué)》，李里特，中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1998PhysicalPropertiesofPlantandAnimalMaterials,MohseninN.N.GordonandBreachSciencePublishers,Inc.,NewYork,1970ThermalPropertiesofFoodsandAgriculturalMaterials,MohseninN.N.GordonandBreachSciencePublishers,Inc.,NewYork,1980PhysicalPropertiesofFoodandAgriculturalMaterials(ATeachingManual),MohseninN.N.GordonandBreachSciencePublishers,Inc.,NewYork,1981PhysicalPropertiesofFoods,Serpil

SahinandServet

Gulum

Sumnu,Springer,2006FundamentalsofFoodProcessEngineering(ThirdEdition),RomeoT.Toledo,Springer,2007ViscosityofLiquids:Theory,Estimation,Experiment,andData,DABIRS.VISWANATH,Springer,2007HeatConvection,LatifM.Jiji,Springer,2006HeatandMassTransfer,HansDieterBaehr·KarlStephan,Springer,2006ElectronicIrradiationofFoods:AnIntroductiontotheTechnology,R.B.Miller,Springer,2005農(nóng)業(yè)物料：指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、加工和處理的對(duì)象，包括：動(dòng)、植物物料及其半成品和成品，以及土壤、化肥、農(nóng)藥等有生命物料和無(wú)生命物料，如：谷物、種子、果蔬、禽、蛋、奶、油、煙、茶等。農(nóng)業(yè)物料的性質(zhì)組織結(jié)構(gòu)物料的物理特性活體的生理活動(dòng)物料的生物生理特性材料的組成成分物料的化學(xué)特性緒論農(nóng)業(yè)物料學(xué)是隨著農(nóng)業(yè)工程發(fā)展的需要而在近幾十年內(nèi)形成的一門新學(xué)科，是運(yùn)用近代物理學(xué)理論、技術(shù)和方法，研究農(nóng)業(yè)物料物理性質(zhì)以及各個(gè)物理因子和生物物料相互作用的一門邊緣學(xué)科，是物理學(xué)、工程學(xué)科和生物學(xué)各學(xué)科間的橋梁，也是農(nóng)業(yè)工程學(xué)科的基礎(chǔ)，在農(nóng)產(chǎn)品加工、農(nóng)機(jī)工程及食品工程中應(yīng)用廣泛。農(nóng)業(yè)物料學(xué)：主要研究農(nóng)業(yè)物料中各種帶有共性的物理特性，為各種機(jī)械和系統(tǒng)如生產(chǎn)、處理、加工、貯藏、包裝、運(yùn)輸和質(zhì)量檢驗(yàn)等提供合理和可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。物料的基本物理參數(shù)（形狀、尺寸、體積、密度、孔隙率、表面積、比表面積、含水率等物理參數(shù)）固體物料的流變特性（應(yīng)力—應(yīng)變—時(shí)間關(guān)系及本構(gòu)方程）液體物料的流動(dòng)特性（不同流體的粘度及其測(cè)量）物料的流體動(dòng)力學(xué)物性（流體阻力、臨界速度）散粒物料的力學(xué)物性（摩擦特性、流動(dòng)特性、料倉(cāng)壓力）農(nóng)業(yè)物料的熱學(xué)特性（熱學(xué)特性及其測(cè)定）農(nóng)業(yè)物料的光學(xué)特性（反射、透光、延遲發(fā)光特性及應(yīng)用）農(nóng)業(yè)物料的電學(xué)特性（介電特性、靜電特性）農(nóng)業(yè)物料學(xué)的研究?jī)?nèi)容主要農(nóng)產(chǎn)品第一節(jié)形狀和尺寸一、圖形比較法(chartedstandards)二、類似幾何體表示法(resemblance)三、形狀指數(shù)(shapeindex)四、軸向尺寸(axialdimensions)五、粒徑(particledimension)六、曲率半徑(radius)圖形比較法特點(diǎn)：直觀、簡(jiǎn)單，但主觀性強(qiáng)，個(gè)體差異較大二、類似幾何體表示法利用實(shí)驗(yàn)方法確定實(shí)際體積和表面積后，計(jì)算實(shí)際值與計(jì)算值間的比例系數(shù)，從而確定典型形狀的校正系數(shù)根據(jù)物料形狀，用相似幾何體表示，利用其計(jì)算公式計(jì)算物料的體積和表面積形狀體積表面積備注長(zhǎng)球體a、b為橢圓的長(zhǎng)、短半軸；r1、r2為圓錐體上下截面處半徑；h為截頭圓錐體高度；r為球體直徑扁球體截頭正圓錐體球體1、圓度(roundness)：表示物體角棱的銳度，可表明物體在投影面內(nèi)的實(shí)際形狀與圓形之間的差異。三、形狀指數(shù)2、球度(sphericity)：表示物體實(shí)際形狀和球體間的差異程度。3、形狀系數(shù)(shapefactor)：表示物體實(shí)際形狀與球體的接近程度。1、圓度(roundness)Rd—圓度Ap—物體在自然靜止位置時(shí)的最大投影面積Ac

—Ap的最小外接圓面積r—物體各棱角處的曲率半徑R—最大內(nèi)切圓半徑N—相加的棱角總數(shù)2、球度(sphericity)Sp—球度de—與實(shí)際物體體積相等的球體的直徑dc—實(shí)際物體最小外接球直徑或物體的最大直徑di—物體最大投影面中的最大內(nèi)切圓直徑dc—物體最大投影面中的最小外接圓直徑a,b,c—三維軸向尺寸（長(zhǎng)度、寬度、厚度）3、形狀系數(shù)A1、A2、A3

—物體在三個(gè)垂直平面內(nèi)的投影面積Ac—平均投影面積—形狀系數(shù)凸?fàn)钗锪细鶕?jù)K或值可判別物料形狀與球體間的差異。該法適用于形狀規(guī)則的較大物料。BannesenandFenchel,1948PolyaandSzega,1951物體平均投影面積與體積關(guān)系四、軸向尺寸采用照片放大器或投影設(shè)備反映物料外形輪廓。物料的三維尺寸分別用a、b、c表示。三軸兩兩垂直但不一定相交。尺寸、形狀密不可分。小麥蠶豆綠豆燕麥扁豆棉籽菜豆豌豆玉米大豆蕎麥五、粒徑粒徑：顆粒的直徑、大小或尺寸，用于表示粒狀、粉狀物料的形狀和尺寸（單個(gè)顆粒的粒徑或由不同尺寸粒子組成的粒子群的平均粒徑）。單一粒徑平均粒徑粒徑的測(cè)試：當(dāng)被測(cè)顆粒的某種物理特性或物理行為與某一直徑的同質(zhì)球體（或其組合）最相近時(shí)，就把該球體的直徑（或其組合）作為被測(cè)顆粒的等效粒徑（或粒度分布）粒徑的計(jì)算方法：

粗顆粒平均粒徑細(xì)粉平均粒徑粗顆粒與細(xì)粉的區(qū)別在于能否用人工將顆粒分揀開(kāi)平均粒徑Sauter平均徑五、粒徑粒徑：描述單一顆粒的大小或整體顆粒粒徑的平均水平粒度分布：各種大小不同的顆粒占顆?？倲?shù)的比例，可較全面地描述整體顆粒大小粒度分布曲線粒度（質(zhì)量）累積分布曲線粒度（質(zhì)量）頻率分布曲線篩上分布曲線篩下分布曲線粒徑與目數(shù)的換算：

泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩制：以200目篩孔尺寸0.074mm為基準(zhǔn)，乘或除以主模數(shù)2的平方根（1.141）的n次方（n＝1，2，3……），就得到較200粗或細(xì)的篩孔尺寸（基本序列）；用副模數(shù)2的四次方根（1.1892）的n次方去乘或除0.074mm，就可以得到分度更細(xì)的一系列目數(shù)的的篩孔尺寸（附加序列）。

目數(shù)m篩孔尺寸a(mm)網(wǎng)絲直徑d(mm)目數(shù)m篩孔尺寸a(mm)網(wǎng)絲直徑d(mm)320.4950.3001150.1240.097350.4170.3101500.1040.066420.3510.2541700.0890.061480.2950.2342000.0740.053600.2460.1782500.0610.041650.2080.1832700.0530.041800.1750.1423250.0430.0361000.1470.1074000.0380.025國(guó)內(nèi)常用標(biāo)準(zhǔn)篩目數(shù)m篩孔尺寸a(mm)目數(shù)m篩孔尺寸a(mm)目數(shù)m篩孔尺寸a(mm)82.50450.4001300.112102.00500.3551500.100121.60550.3151600.090161.25600.2801900.080181.00650.2502000.071200.90700.2242400.063240.80750.2002600.056260.70800.1803000.050280.63900.1603200.045320.561000.1543600.040350.501100.140400.451200.150泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩顯微鏡法光學(xué)顯微鏡：0.8-150μｍ電子顯微鏡：<0.8μｍ掃描電鏡和透射電鏡常用于：1nm~5μｍ作用：測(cè)定粒度大小、平均粒度分布范圍，物料形貌分析處理：范德華力、庫(kù)侖力→顆粒團(tuán)聚→分散劑分散缺點(diǎn)：人工分析統(tǒng)計(jì)，操作繁重費(fèi)時(shí)，容易出錯(cuò)；受主觀因素影響較大，測(cè)量精度不高。圖像分析法

優(yōu)點(diǎn)：可直接觀察顆粒形狀及是否團(tuán)聚測(cè)定結(jié)果與實(shí)際粒度分布吻合較好缺點(diǎn)：取樣的代表性差實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性差沉降法工作原理：顆粒在懸浮體系受重力(或離心力)、浮力和黏滯力作用下以恒定速度沉降，沉降速度與粒度大小的平方成正比。要求：黏滯力服從斯托克斯定律；顆粒形狀應(yīng)當(dāng)接近于球形，并且完全被液體潤(rùn)濕；顆粒沉降速度緩慢而恒定，達(dá)到恒定速度所需時(shí)間短；顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)不會(huì)干擾其沉降速度；顆粒間的相互作用不影響沉降過(guò)程。方法：重力沉降法：2~100μｍ離心沉降法：10nm~20μｍ等效球粒徑，粒度分布為等效球重均粒度分布優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量重量分布代表性強(qiáng)，測(cè)試結(jié)果與儀器的對(duì)比性好，價(jià)格比較便宜。缺點(diǎn)：對(duì)小粒子的測(cè)試速度慢，重復(fù)性差；對(duì)非球形粒子的誤差大，不適合于混合物料。電超聲法電超聲粒度分析法是新近出現(xiàn)的粒度分析方法測(cè)量粒度：5nm~100μm工作原理：當(dāng)聲波在樣品內(nèi)部傳導(dǎo)時(shí)，通過(guò)測(cè)定聲波衰減譜，計(jì)算衰減值與粒度的關(guān)系。特殊需要：需要顆粒和液體的密度、液體的黏度、顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)等參數(shù)；乳液或膠體中的柔性粒子的熱膨脹系數(shù)。特點(diǎn)：可測(cè)高濃度分散體系和乳液的特性參數(shù)物料不需要稀釋；精度高，粒度分析范圍更寬。光散（衍）射法當(dāng)d<<λ(d<1/10λ)時(shí)，屬于Rayleigh散射范圍，光均勻地向各個(gè)方向散射當(dāng)d≈λ，但d<λ時(shí)，屬于Rayleigh-Gans-Mie散射范圍，光非均勻地向各個(gè)方向散射當(dāng)d≈λ，但d>λ時(shí)，屬于Anomalous衍射（反常衍射）范圍當(dāng)d>>λ(通常d>10λ)時(shí)，屬于Fraunhofer衍射范圍，入射光和衍射光都是平行光束基于顆粒布朗運(yùn)動(dòng)的粒度測(cè)定方法平均位移的平方與顆粒粒徑成反比電泳法(Electrophoresis)測(cè)定帶電顆粒在電場(chǎng)力作用下的定向遷移率，計(jì)算顆粒粒度。電泳法可以測(cè)量小于1μm的顆粒粒徑（平均粒度，無(wú)粒度分布）。費(fèi)氏法(FisherMethod)——層流狀態(tài)下的氣體透過(guò)法基本原理：在恒定壓力下，空氣透過(guò)被測(cè)顆粒堆積體，通過(guò)可調(diào)節(jié)的針形閥流向大氣。根據(jù)空氣透過(guò)顆粒堆積體時(shí)所產(chǎn)生的阻力和流量求得顆粒的比表面積及平均粒度（Kozeny-Carman方程）特點(diǎn)：不能精確反映顆粒的真實(shí)粒度，也不能和其他粒度測(cè)量方法所得結(jié)果進(jìn)行比較，僅用來(lái)控制工藝過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量。質(zhì)譜法(MassSpectrometry)主要用于測(cè)量氣溶膠中微小顆粒的粒度，粒度范圍一般為1~50nm。基本原理：都是測(cè)定顆粒動(dòng)能和所帶電荷的比率、顆粒速度和電荷數(shù)，從而獲得顆粒質(zhì)量，結(jié)合顆粒形狀和密度則可求得顆粒粒度。滲透法、氣體吸附法其他顆粒粒度測(cè)量方法（1）各種粒度分析方法的物理基礎(chǔ)不同，同一樣品用不同的測(cè)量方法得到的粒徑的物理意義甚至粒徑大小也不同。要了解所測(cè)顆粒的性質(zhì)、粒度范圍以及所使用分析儀器的原理及針對(duì)性，選擇適合的分析方法、儀器才能夠得到合理的結(jié)果。（2）對(duì)多分散、不規(guī)則形狀顆粒的粒度及粒度分布分析，不同的分析原理將導(dǎo)致不同的分析結(jié)果，有些分析結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有較大差異，不具有科學(xué)性和代表性。因此，根據(jù)被測(cè)對(duì)象、測(cè)量準(zhǔn)確度和測(cè)量精度等選擇合適的測(cè)量方法，對(duì)各種分析結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)判。（3）同一種原理的儀器，測(cè)試條件不同，結(jié)果也可能不同。（4）良好的分散條件是得出準(zhǔn)確粒度分析結(jié)果的前提。六、曲率半徑R—曲率半徑—兩固定測(cè)頭間距—固定測(cè)頭與中間測(cè)頭的高度差曲率半徑主要影響物料的接觸應(yīng)力、變形、物料孔隙率、體積和密度等。主要適用于測(cè)定尺寸較大的水果和蔬菜的曲率半徑曲率半徑較小物料的曲率半徑可用經(jīng)驗(yàn)公式近似確定。R—測(cè)定點(diǎn)的最小曲率半徑R’—測(cè)定點(diǎn)的最大曲率半徑H—物料厚度L—物料長(zhǎng)度第二節(jié)農(nóng)業(yè)物料的密度及測(cè)量一、密度的定義1、容積密度(bulkdensity)2、粒子密度(particledensity)3、真密度(truedensity)二、農(nóng)業(yè)物料密度的測(cè)量1、液浸法2、氣體置換法3、比重梯度管法三、農(nóng)業(yè)物料的密度

容器容積物料堆積結(jié)構(gòu)物料質(zhì)量物料分離分級(jí)質(zhì)量傳遞1蒲式耳＝35.238升密度體（容）積密度(Bulkdensity)物料質(zhì)量與其所占容器體積之比。它與容器形狀、顆粒密度、含水率、表面特性、物料充填方法有關(guān)。主要用于料倉(cāng)、糧倉(cāng)的設(shè)計(jì)及其承載能力的計(jì)算。容器：物料裝填高度與容器直徑之比為6。充填方法：一定程度的沖擊震實(shí)；沖擊至最緊密狀態(tài)。表觀密度(Apparentdensity)物料質(zhì)量與物料體積（含外部孔隙）之比顆粒密度(Particledensity)物料質(zhì)量與物料實(shí)際體積之比真密度(Truedensity)物料質(zhì)量與除去物料內(nèi)部孔隙后的物料體積之比虛表容積密度Vb—虛表容積Va—充填容積或最終虛表容積—虛表密度—充填密度或最終虛表密度—虛表密度變化率一般，流動(dòng)性較好或內(nèi)摩擦角較小的物料，虛表密度變化率越??；物料粒子形狀越不規(guī)則，虛表密度變化率越大。顆粒的堆積擠壓膨脹流體、連續(xù)固體：當(dāng)溫度、壓力確定時(shí)，密度確定散粒體：堆積密度與顆粒尺寸、堆積方式和歷史有關(guān)。顆粒尺寸相近：堆積密度約在0.56~0.64范圍內(nèi)。顆粒大小不同，堆積密度增大。相同尺寸球形顆粒：ρ簡(jiǎn)單立方堆積=0.52<ρ無(wú)序堆積<ρ面心立方堆積=0.74影響因素立方體排列體心排列面心排列體積密度：物料的堆積排列方式（形狀、粒徑、粒度分布、表面特性等）顆粒密度：物料成份（分子質(zhì)量）分子間結(jié)合、排列方式1、懸浮法浸液不能滲入物料內(nèi)部，且能到達(dá)所有表面。mol—容器浸液質(zhì)量之和—物料密度—浸液密度msl—容器、浸液和浸入物料質(zhì)量之和ms—物料質(zhì)量2、比重天平法利用分析天平或比重天平進(jìn)行測(cè)試物料比重大于浸液比重物料比重小于浸液比重msl—物料在液體中質(zhì)量ms—物料和配重總質(zhì)量mo—配重質(zhì)量msl—物料和配重在液體中總質(zhì)量mol—配重在液體中質(zhì)量3、比重瓶法適用于測(cè)定較小物料的密度。浸液要求：物料幾乎不吸收該浸液；表面張力??；浸液對(duì)物料無(wú)溶解作用；沸點(diǎn)高，比重、粘度幾乎不變；比重小。如甲苯、四氯化碳等mw—比重瓶裝滿蒸餾水時(shí)總質(zhì)量ml—比重瓶裝滿浸液時(shí)總質(zhì)量—測(cè)量溫度下的蒸餾水密度

—浸液密度mo—比重瓶質(zhì)量ms—比重瓶和物料質(zhì)量之和msl—比重瓶、物料、浸液三者質(zhì)量之和4、氣體置換法（1）壓力比較法（定容法）儀器：貝克曼(Beckman)氣比式比重計(jì)方法：物料放入氣室前后，氣室壓差保持不變。（2）定容積壓縮（膨脹）法（定容法）方法：體積發(fā)生相同變化時(shí)，根據(jù)氣室中裝物料前后的壓差變化來(lái)測(cè)定其體積。（3）不定容積法（定壓法）方法：裝入物料前后，體積發(fā)生變化時(shí)其壓差保持不變，以測(cè)定其物料體積。特點(diǎn)：不損傷物料；適于疏松多孔物料；要求物料可承受一定壓力，體積變化小。4-1壓力比較法在物料放入氣室前后，兩氣室壓差保持不變4-2定容積壓縮V0V工作原理：容器體積發(fā)生相同變化，分別測(cè)定氣室中裝與不裝物料時(shí)的壓差，從而測(cè)定物料體積4-2定容積壓縮、膨脹法1、壓縮法2、膨脹法V—測(cè)量室體積V0—定壓縮體積Vs—物料體積Pa—大氣絕對(duì)壓力—有物料時(shí)壓差—無(wú)物料時(shí)壓差4-3不定容積法（定壓法）V1—無(wú)物料時(shí)達(dá)到給定壓差時(shí)的容器體積變化量V2—有物料時(shí)達(dá)到給定壓差時(shí)的容器體積變化量—壓力差氣室中裝與不裝物料時(shí)，均保證氣室體積發(fā)生變化時(shí)的氣室壓差保持恒定5、比重梯度管法原理：根據(jù)物料在有一定密度梯度的液柱中的位置并通過(guò)標(biāo)定曲線來(lái)確定其密度儀器：比重計(jì)或標(biāo)準(zhǔn)浮子x—物料在液柱中的位置y、z—兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)浮子的位置—兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)浮子的密度比重梯度管內(nèi)液體密度標(biāo)定曲線隨時(shí)間的變化農(nóng)業(yè)物料密度的計(jì)算1、已知物料組成成分2、已知物料組成成分體積占總體積的百分?jǐn)?shù)s—農(nóng)業(yè)物料密度mi—各組成成分的質(zhì)量占總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)i—各組成成分的密度Vi—各組成成分體積占總體積的百分?jǐn)?shù)空氣：ρT=1.2847×101-3.2358×10-3

T蛋白質(zhì)：ρT=1.33×103-0.518T碳水化合物：ρT=1.5991×103-0.31046T脂肪：ρT=9.2559×102-0.41757T纖維：ρT=1.3115×103-0.36589T灰分：ρT=2.4238×103-0.28063T水：ρT=9.9718×102+3.1439×10-3

T–3.7574×10-3

T2冰：ρT=9.1689×102-0.1307T溫度適用范圍：-40~150℃（ChoiandOkos,1985）公式適用物料：液態(tài)食品（奶、果汁）、水果、蔬菜、肉、魚(yú)密度為物料含水率與溫度的函數(shù)溫度對(duì)物料密度的影響冰凍和新鮮農(nóng)業(yè)物料的密度變化物料密度（kg/m3）物料密度（kg/m3）鮮水果865-1067凍水果625-801鮮蔬菜801-1095凍蔬菜561-977鮮魚(yú)967凍魚(yú)1056物料含水率對(duì)密度的影響第三節(jié)孔隙率（porosity)孔隙（空隙）：物料間間隙孔隙率ε：物料孔隙體積與物料總體積之比孔隙比n：物料孔隙體積與物料實(shí)際體積之比體積實(shí)體系數(shù)k：物料實(shí)際體積與物料總體積之比孔隙率與物料形狀、堆積或充填方式、物料尺寸分布、含水率、放置時(shí)間等因素有關(guān)孔隙率的測(cè)定對(duì)于粉狀物料，平均粒徑越大，空隙容積越小，當(dāng)超過(guò)某一粒徑時(shí)，大致趨于定值，則該粒徑為臨界粒徑孔隙率與體積密度間關(guān)系物料內(nèi)部孔隙率的測(cè)定影響硬度、彈性、塑性、抗壓、抗拉等機(jī)械特性以及物料中水分的遷移小于103埃的孔隙稱為微孔大于103埃的孔隙稱為大孔水銀侵入速度與孔隙直徑相關(guān)第四節(jié)表面積、比表面積葉子、水果、蔬菜等的表面積直接反映其生長(zhǎng)狀況、產(chǎn)量、作業(yè)量大小及后期的熱加工等的難易程度1、物料表面積及其測(cè)量測(cè)量方法：（1）接觸曬映；（2）方格紙；（3）投影測(cè)量；（4）光遮斷法；（5）氣流求積儀；（6）剪紙稱重；（7）函數(shù)關(guān)系式2、松散物料比表面積及測(cè)量（1）透氣法