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。第一節(jié)傳熱的基本方式

熱傳導(dǎo)(conduction);對流(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程稱為熱傳導(dǎo)，又稱導(dǎo)熱。特點(diǎn)：由于物質(zhì)微觀粒子的熱運(yùn)動而引起的熱量傳遞，在傳熱方向上無物質(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)]。上式稱為Fourier定律，號稱導(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.熱對流

流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞過程，特點(diǎn)熱對流僅發(fā)生在流體中流體各部分間產(chǎn)生相對位移食品生產(chǎn)中，常遇到的并非是單純的熱對流方式，而是流體流過固體表面時(shí)發(fā)生的熱對流和熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的傳熱過程，即熱由流體傳遞到固體表面(或反之)的過程，通常將它稱為對流傳熱(也稱給熱)。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流方式傳熱。式中

Q——對流傳熱速率，W；

A——傳熱面積，m2

Δt——對流傳熱溫度差，

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Tf

，

。為了防止熱量散失到周圍的空間里，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)沒有與周圍發(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）

混合法測定比熱所需設(shè)備簡單、操作較方便，能適應(yīng)多種物料測定。由于量熱器測定時(shí)不可避免的熱泄漏，因此對其測定結(jié)果往往要進(jìn)行誤差校正。差示掃描熱量測定

1)DSC的結(jié)構(gòu)與原理在升溫或降溫的過程中，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量物質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度的關(guān)系的一類技術(shù)。在食品科學(xué)中，人們利用這一技術(shù)檢測脂肪、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；通過蒸發(fā)吸熱來檢測水的性質(zhì)；檢測蛋白質(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)測量的方法不同，分兩種類型：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測量和控制樣品和參照的溫度差，對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，可忽略過高(>2×105kPa)、過低(<3kPa)時(shí)，P↑，λ↑氣體的導(dǎo)熱系數(shù)小，對導(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)〖說明〗對大多數(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、魚等纖維狀食品，

交錯模型探針測定法導(dǎo)熱率測定探針是一個(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)熱率的測定

探針柄是商用熱電偶插頭。23號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)氧樹脂膠密封。測量時(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，所以它對食品來說是一個(gè)很重要的概念。焓值是相對值，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T2

溫度下的焓，h1為T1

溫度下的焓?；緮?shù)據(jù)手冊中中總結(jié)了大部分物質(zhì)的焓。數(shù)據(jù)來源不同時(shí)，必須記住對應(yīng)的焓值為零的基準(zhǔn)溫度。如果給定的食品焓表中沒有某種食品的焓值，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)系中無內(nèi)熱源的三維不穩(wěn)定導(dǎo)熱微分