食品的力學(xué)性質(zhì)

1食品的力學(xué)性質(zhì)2第一節(jié)概述一．流變學(xué)的基本概念流變——來源于希臘，由Bingham和Crawford為了表示液體的流動(dòng)和固體的變形現(xiàn)象而提出來的概念。流變學(xué)主要是研究物質(zhì)的變形和流動(dòng)的一門科學(xué)。變形：對(duì)某一物體外加壓力，其內(nèi)部的各部分的形狀和體積發(fā)生的變化。對(duì)物質(zhì)施加外力，則物質(zhì)內(nèi)部存在一種與外力相對(duì)抗的內(nèi)力使其恢復(fù)原狀。此時(shí)在單位面積上存在的內(nèi)力稱為應(yīng)力（Stress）。3由外部應(yīng)力而產(chǎn)生的變形，如除去其應(yīng)力，則物質(zhì)恢復(fù)原狀，這種性質(zhì)稱為彈性（Elasticity）。把這種可逆性變形稱為彈性變形（elasticdeformati-on），而非可逆性變形稱為塑性變形（plasticdeformat-ion）。流動(dòng)主要表示液體和氣體的性質(zhì)。流動(dòng)的難易與物質(zhì)本身具有的性質(zhì)有關(guān)，把這種現(xiàn)象稱為粘性（Viscosity）。流動(dòng)也視為一種非可逆性變形過程。實(shí)際上，某一種物質(zhì)對(duì)外力表現(xiàn)為彈性和粘性雙重特性（粘彈性）。這種性質(zhì)稱為流變學(xué)性質(zhì)，對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行定量解析的學(xué)問稱為流變學(xué)。4牛頓將粘度定義為所加應(yīng)力與流動(dòng)梯度的比例。StationaryPlateMoveablePlateA=Areacm2A=Areacm2X

=

DistanceF

=

Force(dynes)剪切力（ShearStress）剪切率(ShearRate)粘度*假定:

板的長度遠(yuǎn)大于板的間距。流變學(xué)介紹

定義IRheologyintroductionI5切變應(yīng)力與切變速率在流速不太快時(shí)，可將流動(dòng)著的液體視為互相平行移動(dòng)的液層叫層流（如下圖），由于各層的速度不同，便形成速度梯度du/dy，這是流動(dòng)的基本特征。uy表征體系流變性質(zhì)的兩個(gè)基本參數(shù)：1.在單位液層面積上施加的使各液層間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的外力稱為剪切應(yīng)力，簡稱剪切力（shearigforce）,單位為N/m2，以表示。2.剪切速度（rateofshear），單位為S-1，以表示。6漆刷的速度Estimatethevelocityofthepaintbrush=50cm/sec油漆的厚度Estimatethethicknessofthelayerofpaintbeingapplied=y=0.01cm剪切率計(jì)算Calculateshearrate

=50cm/sec0.01cm =5,000sec-1Example:

刷油漆

Shearrateofapplyingpaintwithabrush:vy剪切率SHEARRATERANGE&

PRACTICALAPPLICATIONS7第二節(jié)流變性質(zhì)

一．牛頓流動(dòng)牛頓粘度定律：純液體和多數(shù)低分子溶液在層流條件下的剪切應(yīng)力（σ）與剪切速度（ε）成正比。遵循該法則的液體為牛頓流體。

式中，μ——粘度或粘度系數(shù)，是表示流體粘性的物理常數(shù)。單位為泊，1P=0.1N·S·m-2，SI單位中粘度用Pa·S或Kg/(m·s)表示。粘度系數(shù)除以密度ρ得的值ν（ν

=μ/ρ）為動(dòng)力粘度（SI單位為㎡/S）。8下表中表示制劑研究中常用的各種液體在20℃條件下的粘度。

9根據(jù)公式得知牛頓液體的切變速度ε與切變應(yīng)力σ之間如下圖所示，呈直線關(guān)系且直線經(jīng)過原點(diǎn)。

(a)牛頓流動(dòng)

1010牛頓液體的特點(diǎn)：①一般為低分子的純液體或稀溶液；②在一定溫度下，牛頓液體的粘度為常數(shù)，它只是溫度的函數(shù)，隨溫度升高而減小。11二．非牛頓流動(dòng)實(shí)際上大多數(shù)液體不符合牛頓粘度定律，如高分子溶液、膠體溶液、乳劑、混懸劑、軟膏以及固-液的不均勻體系的流動(dòng)。把這種不遵循牛頓粘度定律的物質(zhì)稱為非牛頓流體，這種物質(zhì)的流動(dòng)現(xiàn)象稱為非牛頓流動(dòng)。非牛頓流體的剪切速度和剪切應(yīng)力的變化規(guī)律，經(jīng)作圖后可得四種曲線的類型：塑性流動(dòng)、假塑性流動(dòng)、脹形流動(dòng)、觸變流動(dòng)。對(duì)于非牛頓流體可以用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)進(jìn)行測定。1212流變曲線:以切變速率為縱坐標(biāo)，切應(yīng)力為橫坐標(biāo)作圖，所得曲線為流變曲線或流動(dòng)曲線。A-牛頓流體；B-塑性流體；C-假塑性流體；D-脹性流體；E-觸變性流體.13（一）塑性流動(dòng)(plasticflow)塑性流動(dòng)的流動(dòng)曲線：曲線不經(jīng)過原點(diǎn)，在橫軸S軸上的某處有交點(diǎn)，得屈伏值（yieldvalue）或降伏值。當(dāng)切變應(yīng)力增加至屈伏值時(shí)，液體開始流動(dòng)，切變速度和切變應(yīng)力呈直線關(guān)系。液體的這種性質(zhì)稱為塑性流動(dòng)。引起液體流動(dòng)的最低剪切應(yīng)力為屈伏值σ0：

μp——塑性粘度（plasticviscosity）；σ0——屈伏值、致流值或降伏值，單位為dyne·㎝-2。

(b)塑性流動(dòng)1414塑性流體的結(jié)構(gòu)變化示意圖15塑性流動(dòng)的特點(diǎn)：不過原點(diǎn)；有屈伏值σ0；當(dāng)切應(yīng)力σ

<σ0

時(shí)，形成向上彎曲的曲線；當(dāng)切應(yīng)力σ

>σ0

時(shí)，切變速度ε和切應(yīng)力呈直線關(guān)系。塑性流動(dòng)的特點(diǎn)16

冪率流體-假塑性(non-Newtonian-Pseudoplasticfluid)

-粘度隨剪切率升高而減小PerformanceofthePseudoplasticfluidmaterialwhichdisplaysadecreaseinviscositywithincreasingshearrate蛋黃醬、血液、番茄醬、果醬,蒸煮過的淀粉糊，纖維類溶液，乳液，有不少油墨，包括其它許多高分子溶液。1717假塑性流體的結(jié)構(gòu)變化示意圖18

冪率流體-脹性

(non-Newtonian-fluid)

脹性流體表現(xiàn)為粘度隨剪切率升高而增大

PerformanceoftheDilatantfluidmaterialwhichexhibitsanincreaseinviscosityasshearrateincreases面團(tuán)，泥漿、粘土、糖制品、蜂蜜、高濃度淀粉溶液等。1919脹性流體的結(jié)構(gòu)變化示意圖20脹性流體的特點(diǎn)

脹性流動(dòng)的特點(diǎn)：沒屈伏值；過原點(diǎn)；切應(yīng)速度很小時(shí)，液體流動(dòng)速度較大，當(dāng)切應(yīng)速度逐漸增加時(shí)，液體流動(dòng)速度逐漸減小，液體對(duì)流動(dòng)的阻力增加，表觀粘度增加，流動(dòng)曲線向上彎曲。21（四）觸變流動(dòng)(thixotropicflow)當(dāng)對(duì)某溶液進(jìn)行攪拌時(shí)，由于其粘度下降，故流體易于流動(dòng)。但是，放置一段時(shí)間以后，又恢復(fù)原來的粘性。象這種隨著切變應(yīng)力的下降，其粘度下降的物質(zhì)，即在等溫條件下緩慢地恢復(fù)到原來狀態(tài)的現(xiàn)象稱為觸變性（thixlotropy）。（e）觸變流動(dòng)

22產(chǎn)生觸變的原因：對(duì)流體施加切應(yīng)力后，破壞了液體內(nèi)部的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)切應(yīng)力減小時(shí)，液體又重新恢復(fù)原有結(jié)構(gòu)，恢復(fù)過程所需時(shí)間較長，因而上行線和下行線就不重合。觸變流動(dòng)的特點(diǎn)：等溫的溶膠和凝膠的可逆轉(zhuǎn)換。塑性流體、假塑性流體、脹性流體中多數(shù)具有觸變性，它們分別稱為觸變性塑性液體、觸變性假塑性液體、觸變性脹性液體。23其流動(dòng)曲線的特性表現(xiàn)為剪切應(yīng)力的下降曲線，并與上升曲線相比向左遷移。在圖上表現(xiàn)為環(huán)狀滯后曲線。也就是說，用同一個(gè)σ值進(jìn)行比較，曲線下降時(shí)粘度低，上升時(shí)被破壞的結(jié)構(gòu)并不因?yàn)閼?yīng)力的減少而立即恢復(fù)原狀，而是存在一種時(shí)間差。即所謂的觸變性是施加應(yīng)力使其流體產(chǎn)生流動(dòng)時(shí)，流體的流動(dòng)性暫時(shí)性增加。觸變性的測定可以通過計(jì)算滯后環(huán)狀曲線所包圍的面積，推測由觸變流動(dòng)而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)的破壞和恢復(fù)原來狀態(tài)的程度。通過這種方法可以控制食品的特性和產(chǎn)品的質(zhì)量。24三.粘彈性(Viscoelasticity)高分子物質(zhì)或分散體系具有粘性(viscosity)和彈性(elasticity)雙重特性，稱之為粘彈性。

應(yīng)力緩和(stressrelaxation)：物質(zhì)被施加一定的壓力而變形，并使其保持一定應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力隨時(shí)間而減