農(nóng)業(yè)物料學(xué)第一、二章20141111

1、Physical Properties of Agricultural Materials農(nóng)業(yè)物料物理特性農(nóng)業(yè)物料物理特性楊德勇楊德勇課程考核課程考核 課程講授課程講授： 課堂講授+部分實驗 課程要求課程要求： 基本理論及應(yīng)用、測試原理與方法 課程考核課程考核： 平時成績（30%） 作業(yè)成績（70%） 聯(lián)系方式：聯(lián)系方式： 公用郵箱： 密碼：nywlwltx 個人郵箱：參考書目參考書目：v 農(nóng)業(yè)物料學(xué)，周祖鍔主編，農(nóng)業(yè)出版社，1995v 農(nóng)業(yè)物料學(xué)，趙學(xué)篤等，機械工業(yè)出版社，1985v 農(nóng)業(yè)流變學(xué)導(dǎo)論，李翰如，潘君拯，農(nóng)業(yè)出版社，1990v 粘性流體力學(xué)，章梓雄等，清華大學(xué)出版社，1999v

2、非粘性流體力學(xué) ，董曾南等，清華大學(xué)出版社，2003v 食品物性學(xué)，李里特，中國農(nóng)業(yè)出版社，1998v Physical Properties of Plant and Animal Materials, Mohsenin N.N. Gordon and Breach Science Publishers, Inc., New York, 1970v Thermal Properties of Foods and Agricultural Materials, Mohsenin N.N. Gordon and Breach Science Publishers, Inc., New York,

3、 1980v Physical Properties of Food and Agricultural Materials(A Teaching Manual), Mohsenin N.N. Gordon and Breach Science Publishers, Inc., New York, 1981v Electromagnetic Radiation Properties of Foods and Animal Materials, Mohsenin N.N. Gordon and Breach Science Publishers, Inc., New York, 1984v Ph

4、ysical Properties of Foods and Food Processing System, Lewis M.J., Ellis Horwood Ltd., Chichester(England), 1987v Engineering Properties of Foods, Rao M.A., Rizvi S.S.H., Marcel Dekker, Inc., New York, 1986v Thermal Processing of Bio-Materials, Tadeusz Kudra and Czeslaw Strumillo, Gordon and Breach

5、Science Publishers, 1998v Physical Properties of Foods, Peleg M., Bagley E.B., AVI Publishing Company, Inc., Westport, Connecticut, 1981 v Storage of cereal grains and their products (Fourth Edition), D. B. Sauer (Ed.), AOAC, St. Paul, MN., 1992v Food Physics: Physical Properties Measurement and App

6、lications, Ludger O. Figura and Arthur A.Teixeira, Springer, 2007v Physical Properties of Foods, Serpil Sahin and Servet Gulum Sumnu, Springer, 2006 v Fundamentals of Food Process Engineering (Third Edition), Romeo T. Toledo, Springer, 2007 v Viscosity of Liquids: Theory, Estimation, Experiment, and

7、 Data, DABIR S. VISWANATH, Springer, 2007v Heat Convection, Latif M. Jiji, Springer, 2006v Heat and Mass Transfer, Hans Dieter Baehr Karl Stephan, Springer, 2006v Electronic Irradiation of Foods: An Introduction to the Technology, R. B. Miller, Springer, 2005農(nóng)業(yè)物料：指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、加工和處理的對象，包括：動、植物物料及其半成品和成品，以及土

8、壤、化肥、農(nóng)藥等有生命物料和無生命物料，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，為各種機械和系統(tǒng)如生產(chǎn)、處理、加工、貯藏、包裝、運輸和質(zhì)量檢驗等提供合理和可

9、靠的設(shè)計依據(jù)和檢驗標準。 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)變時間關(guān)系及本構(gòu)方程） 液體物料的流動特性（不同流體的粘度及其測量） 物料的流體動力學(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、流動特性、料倉壓力） 農(nóng)業(yè)物料的熱學(xué)特性（熱學(xué)特性及其測定） 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)的研究內(nèi)容第一章 基本物理參數(shù)第一節(jié) 形狀和尺寸第二節(jié) 密度及測量第三節(jié) 孔隙率第四節(jié) 表面積和比表面積第五節(jié) 水分和水活度主主要要農(nóng)農(nóng)產(chǎn)產(chǎn)品品第一

10、節(jié)第一節(jié) 形狀和尺寸形狀和尺寸一、圖形比較法(charted standards)二、類似幾何體表示法(resemblance)三、形狀指數(shù)(shape index)四、軸向尺寸(axial dimensions)五、粒徑(particle dimension)六、曲率半徑(radius)一、圖形比較法Shape DescriptionRound（圓形） - approaching spheroidOblate（扁圓形） - flattened at the stem end and apexOblong （長圓形） - vertical diameter greater than the h

11、orizontal diameterConic（圓錐形） - tapered toward the apexOvate（卵形） - egg-shaped and broad at the stem endOblique (lopsided)（歪斜形） - axis connecting stem and apex slantedObovate（倒卵形） - inverted ovateElliptical（橢圓形） - approaching ellipsoidTruncate（平頭形） - having both ends squared or flattenedUnequal（不對稱） -

12、 one-half larger than the otherRibbed（肋形） - in cross section, sides are more or less angularRegular（規(guī)則） - horizontal section approaches a circleIrregular（不規(guī)則 - horizontal cross section departs materially from a circle將物料的縱剖面和橫剖面的形狀與標準圖形相比較以確定其形狀圖形比較法圖形比較法特點：直觀、簡單，但主觀性強，個體差異較大特點：直觀、簡單，但主觀性強，個體差異較大二、類

13、似幾何體表示法利用實驗方法確定實際體積和表面積后，計算實際值與計算值間的比例系數(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，利用其計算公式計算物料的體積和表面積形狀形狀體積體積表面積表面積備注備注長球體a、b為橢圓的長、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)(342abV)(342baV)(3222121rrrrhV334rVeeabbS12sin22eeeebaS11log2222212221)()(rrhrrS24 rS21abe1、圓度、圓度(roundness)：表示物體角棱的銳度，可表明物體在投影面內(nèi)的實際形

14、狀與圓形之間的差異。三、形狀指數(shù)2、球度、球度(sphericity)：表示物體實際形狀和球體間的差異程度。3、形狀系數(shù)、形狀系數(shù)(shape factor)：表示物體實際形狀與球體的接近程度。RrRr/Rr 圓度比R 與物體投影面積相等的圓的半徑r 物體投影面積中最小銳角處的曲率半徑此處的投影面為最大投影面1、圓度、圓度圓度比圓度比(roundness ratio)1、圓度、圓度(roundness)cpdAAR/Rd 圓度Ap 物體在自然靜止位置時的最大投影面積Ac Ap的最小外接圓面積NRrrrrNRrRnd321r 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、球

15、度(sphericity)Sp 球度de 與實際物體體積相等的球體的直徑dc 實際物體最小外接球直徑或物體的最大直徑cepddS/cipddS/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adaabcSep/)(3/1a, b, c三維軸向尺寸（長度、寬度、厚度）3、形狀系數(shù)、形狀系數(shù)A1、A2、A3 物體在三個垂直平面內(nèi)的投影面積Ac 平均投影面積K/21. 13321AAAAc3203231169VKVAc21. 1169310K形狀系數(shù)凸狀物料36132SVcAS4根據(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。Bannesen

16、and Fenchel, 1948Polya and Szega, 1951三軸投影三軸投影物體平均投影面積與體積關(guān)系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。小麥蠶豆青豆燕麥扁豆棉籽菜豆豌豆玉米大豆蕎麥五、粒徑粒徑粒徑：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 粒徑分布 平均粒徑粒徑的測試：粒徑的測試：當被測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，就把該球體的

17、直徑（或其組合）作為被測顆粒的等效粒徑（或粒度分布）粒徑的計算方法粒徑的計算方法： 粗顆粒平均粒徑 細粉平均粒徑 粗顆粒與細粉的區(qū)別在于能否用人工將顆粒分揀開單一粒徑長軸徑 a 圓等值徑 2/1)/4(f 短軸徑 b 幾何平均徑 2/1)(abc 二軸算術(shù)平均徑 ）ba(21 圓柱體等值徑 2/1)( fa 三軸算術(shù)平均徑 )(31cba 立方體等值徑 3/1V 調(diào)和平均徑 11113cba 球等值徑 3/1)/6(V 表面積平均徑 2/1)222(61acbcab 定向徑 dg 體積平均徑 1)(3acbcababc 定向面積等分徑 dm 外接矩形等值徑 2/1)(ab 斯托克斯徑 2/11

18、8lstv 正方形等值徑 2/1f 注：f-投影面積，V-粒子體積，-流體粘性系數(shù)，vt-粒子沉降速度，s-粒子密度，l-流體密度 粒徑定義、測量原理及儀器粒徑定義、測量原理及儀器Feret徑徑Martin徑徑平均粒徑名 稱 計 算 公 式 物 理 意 義 算術(shù)平均徑 nndd/1 單一粒徑的算術(shù)平均徑 幾何平均徑 nndddd/1212)( n 個粒徑的 n 次方根 調(diào)和平均徑 )/(/3dnnd 各粒徑的調(diào)和平均值 面積長度平均徑 ndndd/24 表面積總和除以直徑的總和 體面積平均徑 235/ndndd 全部粒子的體積除以總表面積 重量平均徑 346/ndndd 重量等于總重量， 數(shù)目

19、等于總總個數(shù)的等粒子粒徑 平均表面積徑 2/127/nndd 將總表面積除以總個數(shù)，取其平方根 平均體積徑 3/138/nndd 將總體積除以總個數(shù)，取其立方根 比表面積徑 )/(6sds 由比表面積 S 計算的粒徑 中 徑 d50 粒徑分布的累積值為 50%時的粒徑 多數(shù)徑 dmod 粒徑分布中頻率最高的粒徑 d3 d2 d1 d7 d8 d4 d5 d6 Sauter平均徑平均徑投影徑投影徑 定方向徑（定方向徑（Feret徑）徑） 定方向等分徑（定方向等分徑（Martin徑）徑） 定方向最大徑（割線徑，定方向最大徑（割線徑，Krumbein徑）徑） 投影面積相當徑（投影面積相當徑（Heyw

20、ood徑）徑） 投影周長相當徑投影周長相當徑幾何學(xué)粒徑幾何學(xué)粒徑 單一徑單一徑 算術(shù)平均徑、幾何平均徑算術(shù)平均徑、幾何平均徑 調(diào)和平均徑調(diào)和平均徑 面積平均徑、體積平均徑面積平均徑、體積平均徑當量徑當量徑 等表面積（比表面積）當量徑等表面積（比表面積）當量徑 等體積當量徑等體積當量徑 斯托克斯徑（斯托克斯徑（Stokes徑）徑） 光散射（衍射）當量徑光散射（衍射）當量徑篩分徑篩分徑五、粒徑p粒徑（particle diameter）：描述單一顆粒的線性尺寸p粒度（particle size）：描述顆粒的平均粒徑p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單粒徑體系

21、：顆粒具有相同或近似相同的粒徑多顆粒體系：顆粒群由大小不一的顆粒組成 頻率分布 累積分布p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 粒度分布非連續(xù)表格法、直方圖法、函數(shù)表示法累積分布曲線、頻率分布曲線多數(shù)徑：頻率分布曲線上最高點對應(yīng)的粒徑，記為dmod中徑：累積分布曲線上累積數(shù)為50%時的粒徑，記為d50粒度分布曲線可用于確定物料的分離精度或控制物料的粒度范圍粒徑的測定方法粒徑的測定方法 篩分法篩分法ndmss3636nmdss1、粗顆粒平均粒徑2、細粉平均粒徑（篩分法）miiisdxd11miiisdxd1)(調(diào)和平均徑算術(shù)平均徑泰勒標準篩：基本序

22、列，篩比為 ，基篩為200目，0.074mm（Tyler）附加系列，篩比為 =1.189422粒徑與目數(shù)的換算：粒徑與目數(shù)的換算： 泰勒標準篩制：以200目篩孔尺寸0.074mm為基準，乘或除以主模數(shù)2的平方根（1.141）的n次方（n1，2，3），就得到較200粗或細的篩孔尺寸（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)320.4950.3001150.1240.097350.4170.3101500.1040.0

23、66420.3510.2541700.0890.061480.2950.2342000.0740.053600.2460.1782500.0610.041650.2080.1832700.0530.041800.1750.1423250.0430.0361000.1470.1074000.0380.025國內(nèi)常用標準篩目數(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)82.50450.4001300.112102.00500.3551500.100121.60550.3151600.090161.25600.2801900.080181.00650.2502000.071

24、200.90700.2242400.063240.80750.2002600.056260.70800.1803000.050280.63900.1603200.045320.561000.1543600.040350.501100.140400.451200.150泰勒標準篩顯微鏡法顯微鏡法光學(xué)顯微鏡：0.8-150電子顯微鏡：0.8掃描電鏡和透射電鏡常用于：1nm5作用：測定粒度大小、平均粒度分布范圍，物料形貌分析處理：范德華力、庫侖力顆粒團聚分散劑分散缺點：人工分析統(tǒng)計，操作繁重費時，容易出錯； 受主觀因素影響較大，測量精度不高。圖像分析法圖像分析法 優(yōu)點：可直接觀察顆粒形狀及是否團聚

25、測定結(jié)果與實際粒度分布吻合較好缺點：取樣的代表性差 實驗結(jié)果的重復(fù)性差沉降法沉降法工作原理：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)當接近于球形，并且完全被液體潤濕； 顆粒沉降速度緩慢而恒定，達到恒定速度所需時間短； 顆粒的布朗運動不會干擾其沉降速度； 顆粒間的相互作用不影響沉降過程。方法：重力沉降法： 2100 離心沉降法：10nm20 等效球粒徑，粒度分布為等效球重均粒度分布優(yōu)點：測量重量分布代表性強，測試結(jié)果與儀器的對比性好， 價格比較便宜。缺點：對小粒子的測試速度慢，重復(fù)性差； 對

26、非球形粒子的誤差大，不適合于混合物料。電超聲法電超聲法電超聲粒度分析法是新近出現(xiàn)的粒度分析方法測量粒度：5nm100m工作原理：當聲波在樣品內(nèi)部傳導(dǎo)時，通過測定聲波衰減譜， 計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 分數(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：可測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）射法光散（衍）射法當d(d1/10)時，屬于Rayleigh散射范圍，光均勻地向各個方向散射當d，但d時，屬于Anomalous衍射（反常衍射）范圍當d(通常d10)時，屬于Fraunhofer衍射范

27、圍，入射光和衍射光都是平行光束基于顆粒布朗運動的粒度測定方法基于顆粒布朗運動的粒度測定方法 平均位移的平方與顆粒粒徑成反比電泳法電泳法(Electrophoresis) 測定帶電顆粒在電場力作用下的定向遷移率，計算顆粒粒度。 電泳法可以測量小于1m的顆粒粒徑（平均粒度，無粒度分布）。費氏法費氏法(Fisher Method)層流狀態(tài)下的氣體透過法 基本原理：在恒定壓力下，空氣透過被測顆粒堆積體，通過可調(diào)節(jié)的針 形閥流向大氣。根據(jù)空氣透過顆粒堆積體時所產(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：不能精確反映顆粒的真實粒度，也不能和其他粒度測量方法所得

28、 結(jié)果進行比較，僅用來控制工藝過程和產(chǎn)品質(zhì)量。質(zhì)譜法質(zhì)譜法(Mass Spectrometry) 主要用于測量氣溶膠中微小顆粒的粒度，粒度范圍一般為150nm 。 基本原理：都是測定顆粒動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。電感應(yīng)法電感應(yīng)法(Coulter法法)：電壓脈沖與顆粒體積成正比滲透法、氣體吸附法滲透法、氣體吸附法其他顆粒粒度測量方法其他顆粒粒度測量方法（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性，選擇適合的

29、分析方法、儀器才能夠得到合理的結(jié)果。（2）對多分散、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)被測對象、測量準確度和測量精度等選擇合適的測量方法，對各種分析結(jié)果進行綜合評判。（3）同一種原理的儀器，測試條件不同，結(jié)果也可能不同。（4）良好的分散條件是得出準確粒度分析結(jié)果的前提。六、曲率半徑282BDBDACR R曲率半徑 兩固定測頭間距 固定測頭與中間測頭的高度差 ACBD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)驗公式近似確定。2HR HLHR24/22R測定點的最小曲率半徑R測定點的最大曲率半徑H物料厚度L物料長度 第二節(jié)第二節(jié) 農(nóng)業(yè)物料的密度及測量農(nóng)業(yè)物料的密度及測量一、密度的定義 1、容積密度 (bulk density) 2、粒子密度 (particle density) 3、真密度 (true density)二、農(nóng)業(yè)物料密度