农业物料学-第二章.ppt

Physical Properties of Agricultural Materials,农业物料物理特性,杨德勇,课程考核,课程讲授：课堂讲授+部分实验课程要求：基本理论及应用、测试原理与方法课程考核：平时成绩（30%）作业成绩（70%）联系方式：公用邮箱：密码：123456 个人邮箱：,参考书目：农业物料学，周祖锷主编，农业出版社，1995农业物料学，赵学笃等，机械工业出版社，1985农业流变学导论，李翰如，潘君拯，农业出版社，1990粘性流体力学，章梓雄等，清华大学出版社，1999非粘性流体力学，董曾南等，清华大学出版社，2003食品物性学，李里特，中国农业出版社，1998Physical Properties of Plant and Animal Materials,Mohsenin N.N.Gordon and Breach Science Publishers,Inc.,New York,1970Thermal Properties of Foods and Agricultural Materials,Mohsenin N.N.Gordon and Breach Science Publishers,Inc.,New York,1980Physical Properties of Food and Agricultural Materials(A Teaching Manual),Mohsenin N.N.Gordon and Breach Science Publishers,Inc.,New York,1981,Electromagnetic Radiation Properties of Foods and Animal Materials,Mohsenin N.N.Gordon and Breach Science Publishers,Inc.,New York,1984Physical Properties of Foods and Food Processing System,Lewis M.J.,Ellis Horwood Ltd.,Chichester(England),1987Engineering Properties of Foods,Rao M.A.,Rizvi S.S.H.,Marcel Dekker,Inc.,New York,1986Thermal Processing of Bio-Materials,Tadeusz Kudra and Czeslaw Strumillo,Gordon and Breach Science Publishers,1998Physical Properties of Foods,Peleg M.,Bagley E.B.,AVI Publishing Company,Inc.,Westport,Connecticut,1981 Storage of cereal grains and their products(Fourth Edition),D.B.Sauer(Ed.),AOAC,St.Paul,MN.,1992Food Physics:Physical Properties Measurement and Applications,Ludger O.Figura and Arthur A.Teixeira,Springer,2007,Physical Properties of Foods,Serpil Sahin and Servet Gulum Sumnu,Springer,2006 Fundamentals of Food Process Engineering(Third Edition),Romeo T.Toledo,Springer,2007 Viscosity of Liquids:Theory,Estimation,Experiment,and Data,DABIR S.VISWANATH,Springer,2007Heat Convection,Latif M.Jiji,Springer,2006Heat and Mass Transfer,Hans Dieter Baehr Karl Stephan,Springer,2006Electronic Irradiation of Foods:An Introduction to the Technology,R.B.Miller,Springer,2005,农业物料：指农业生产、加工和处理的对象，包括：动、植物物料及其半成品和成品，以及土壤、化肥、农药等有生命物料和无生命物料，如：谷物、种子、果蔬、禽、蛋、奶、油、烟、茶等。,绪 论,农业物料学是随着农业工程发展的需要而在近几十年内形成的一门新学科，是运用近代物理学理论、技术和方法，研究农业物料物理性质以及各个物理因子和生物物料相互作用的一门边缘学科，是物理学、工程学科和生物学各学科间的桥梁，也是农业工程学科的基础，在农产品加工、农机工程及食品工程中应用广泛。,农业物料学：主要研究农业物料中各种带有共性的物理特性，为各种机械和系统如生产、处理、加工、贮藏、包装、运输和质量检验等提供合理和可靠的设计依据和检验标准。,物料的基本物理参数（形状、尺寸、体积、密度、孔隙率、表面积、比表面积、含水率等物理参数）固体物料的流变特性（应力应变时间关系及本构方程）液体物料的流动特性（不同流体的粘度及其测量）物料的流体动力学物性（流体阻力、临界速度）散粒物料的力学物性（摩擦特性、流动特性、料仓压力）农业物料的热学特性（热学特性及其测定）农业物料的光学特性（反射、透光、延迟发光特性及应用）农业物料的电学特性（介电特性、静电特性）,农业物料学的研究内容,第一章 基本物理参数,第一节 形状和尺寸第二节 密度及测量第三节 孔隙率第四节 表面积和比表面积第五节 水分和水活度,主要农产品,第一节 形状和尺寸,一、图形比较法(charted standards)二、类似几何体表示法(resemblance)三、形状指数(shape index)四、轴向尺寸(axial dimensions)五、粒径(particle dimension)六、曲率半径(radius),一、图形比较法,Shape DescriptionRound（圆形）-approaching spheroidOblate（扁圆形）-flattened at the stem end and apexOblong（长圆形）-vertical diameter greater than the horizontal diameterConic（圆锥形）-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（椭圆形）-approaching ellipsoidTruncate（平头形）-having both ends squared or flattenedUnequal（不对称）-one-half larger than the otherRibbed（肋形）-in cross section,sides are more or less angularRegular（规则）-horizontal section approaches a circleIrregular（不规则-horizontal cross section departs materially from a circle,将物料的纵剖面和横剖面的形状与标准图形相比较以确定其形状,图形比较法,特点：直观、简单，但主观性强，个体差异较大,二、类似几何体表示法,利用实验方法确定实际体积和表面积后，计算实际值与计算值间的比例系数，从而确定典型形状的校正系数,根据物料形状，用相似几何体表示，利用其计算公式计算物料的体积和表面积,1、圆度(roundness)：表示物体角棱的锐度，可表明物体在投影面内的实际形状与圆形之间的差异。,三、形状指数,2、球度(sphericity)：表示物体实际形状和球体间的差异程度。,3、形状系数(shape factor)：表示物体实际形状与球体的接近程度。,Rr 圆度比R 与物体投影面积相等的圆的半径r 物体投影面积中最小锐角处的曲率半径此处的投影面为最大投影面,1、圆度圆度比(roundness ratio),1、圆度(roundness),Rd 圆度Ap 物体在自然静止位置时的最大投影面积Ac Ap的最小外接圆面积,r 物体各棱角处的曲率半径R 最大内切圆半径N 相加的棱角总数,2、球度(sphericity),Sp 球度de 与实际物体体积相等的球体的直径dc 实际物体最小外接球直径或物体的最大直径,di 物体最大投影面中的最大内切圆直径dc 物体最大投影面中的最小外接圆直径,a,b,c三维轴向尺寸（长度、宽度、厚度）,3、形状系数,A1、A2、A3 物体在三个垂直平面内的投影面积Ac 平均投影面积,形状系数,凸状物料,根据K 或 值可判别物料形状与球体间的差异。该法适用于形状规则的较大物料。,Bannesen and Fenchel,1948,Polya and Szega,1951,三轴投影,物体平均投影面积与体积关系,四、轴向尺寸,采用照片放大器或投影设备反映物料外形轮廓。物料的三维尺寸分别用a、b、c表示。三轴两两垂直但不一定相交。尺寸、形状密不可分。,小麦,蚕豆,绿豆,燕麦,扁豆,棉籽,菜豆,豌豆,玉米,大豆,荞麦,五、粒径,粒径：颗粒的直径、大小或尺寸，用于表示粒状、粉状物料的形状和尺寸（单个颗粒的粒径或由不同尺寸粒子组成的粒子群的平均粒径）。单一粒径 平均粒径粒径的测试：当被测颗粒的某种物理特性或物理行为与某一直径的同质球体（或其组合）最相近时，就把该球体的直径（或其组合）作为被测颗粒的等效粒径（或粒度分布）粒径的计算方法：粗颗粒平均粒径 细粉平均粒径 粗颗粒与细粉的区别在于能否用人工将颗粒分拣开,单一粒径,平均粒径,Sauter平均径,五、粒径,粒径：描述单一颗粒的大小或整体颗粒粒径的平均水平粒度分布：各种大小不同的颗粒占颗粒总数的比例，可较全面地描述整体颗粒大小粒度分布曲线粒度（质量）累积分布曲线粒度（质量）频率分布曲线筛上分布曲线筛下分布曲线,累积分布曲线、频率分布曲线,多数径：频率分布曲线上最高点对应的粒径，记为dmod中径：累积分布曲线上累积数为50%时的粒径，记为d50粒度分布曲线可用于确定物料的分离精度或控制物料的粒度范围,粒径的测定方法,筛分法,1、粗颗粒平均粒径,2、细粉平均粒径（筛分法）,调和平均径,算术平均径,泰勒标准筛：基本序列，筛比为，基筛为200目，0.074mm附加系列，筛比为=1.189,粒径与目数的换算：泰勒标准筛制：以200目筛孔尺寸0.074mm为基准，乘或除以主模数2的平方根（1.141）的n次方（n1，2，3），就得到较200粗或细的筛孔尺寸（基本序列）；用副模数2的四次方根（1.1892）的n次方去乘或除0.074mm，就可以得到分度更细的一系列目数的的筛孔尺寸（附加序列）。,泰勒标准筛,显微镜法,光学显微镜：0.8-150电子显微镜：0.8 扫描电镜和透射电镜常用于：1nm5作用：测定粒度大小、平均粒度分布范围，物料形貌分析处理：范德华力、库仑力颗粒团聚分散剂分散缺点：人工分析统计，操作繁重费时，容易出错；受主观因素影响较大，测量精度不高。,图像分析法,优点：可直接观察颗粒形状及是否团聚 测定结果与实际粒度分布吻合较好缺点：取样的代表性差 实验结果的重复性差,沉降法,工作原理：颗粒在悬浮体系受重力(或离心力)、浮力和黏滞力 作用下以恒定速度沉降，沉降速度与粒度大小的 平方成正比。要求：黏滞力服从斯托克斯定律；颗粒形状应当接近于球形，并且完全被液体润湿；颗粒沉降速度缓慢而恒定，达到恒定速度所需时间短；颗粒的布朗运动不会干扰其沉降速度；颗粒间的相互作用不影响沉降过程。方法：重力沉降法：2100 离心沉降法：10nm20 等效球粒径，粒度分布为等效球重均粒度分布优点：测量重量分布代表性强，测试结果与仪器的对比性好，价格比较便宜。缺点：对小粒子的测试速度慢，重复性差；对非球形粒子的误差大，不适合于混合物料。,电超声法,电超声粒度分析法是新近出现的粒度分析方法测量粒度：5nm100m工作原理：当声波在样品内部传导时，通过测定声波衰减谱，计算衰减值与粒度的关系。特殊需要：需要颗粒和液体的密度、液体的黏度、颗粒的质量 分数等参数；乳液或胶体中的柔性粒子的热膨胀系数。特点：可测高浓度分散体系和乳液的特性参数 物料不需要稀释；精度高，粒度分析范围更宽。,光散（衍）射法,当d时，属于Anomalous衍射（反常衍射）范围当d(通常d10)时，属于Fraunhofer衍射范围，入射光和衍射光都是平行光束,基于颗粒布朗运动的粒度测定方法 平均位移的平方与颗粒粒径成反比电泳法(Electrophoresis)测定带电颗粒在电场力作用下的定向迁移率，计算颗粒粒度。电泳法可以测量小于1m的颗粒粒径（平均粒度，无粒度分布）。费氏法(Fisher Method)层流状态下的气体透过法 基本原理：在恒定压力下，空气透过被测颗粒堆积体，通过可调节的针 形阀流向大气。根据空气透过颗粒堆积体时所产生的阻力和 流量求得颗粒的比表面积及平均粒度（Kozeny-Carman方程）特点：不能精确反映颗粒的真实粒度，也不能和其他粒度测量方法所得 结果进行比较，仅用来控制工艺过程和产品质量。质谱法(Mass Spectrometry)主要用于测量气溶胶中微小颗粒的粒度，粒度范围一般为150nm。基本原理：都是测定颗粒动能和所带电荷的比率、颗粒速度 和电荷数，从而获得颗粒质量，结合颗粒形状和密度则可求得颗粒粒度。渗透法、气体吸附法,其他颗粒粒度测量方法,（1）各种粒度分析方法的物理基础不同，同一样品用不同的测量方法得到的粒径的物理意义甚至粒径大小也不同。要了解所测颗粒的性质、粒度范围以及所使用分析仪器的原理及针对性，选择适合的分析方法、仪器才能够得到合理的结果。（2）对多分散、不规则形状颗粒的粒度及粒度分布分析，不同的分析原理将导致不同的分析结果，有些分析结果与实际结果有较大差异，不具有科学性和代表性。因此，根据被测对象、测量准确度和测量精度等选择合适的测量方法，对各种分析结果进行综合评判。（3）同一种原理的仪器，测试条件不同，结果也可能不同。（4）良好的分散条件是得出准确粒度分析结果的前提。,六、曲率半径,R曲率半径 两固定测头间距 固定测头与中间测头的高度差,曲率半径主要影响物料的接触应力、变形、物料孔隙率、体积和密度等。主要适用于测定尺寸较大的水果和蔬菜的曲率半径,曲率半径,较小物料的曲率半径可用经验公式近似确定。,R测定点的最小曲率半径R测定点的最大曲率半径H物料厚度L物料长度,第二节 农业物料的密度及测量,一、密度的定义 1、容积密度(bulk density)2、粒子密度(particle density)3、真密度(true density)二、农业物料密度的测量 1、液浸法 2、气体置换法 3、比重梯度管法三、农业物料的密度,容器容积 物料堆积结构 物料质量 物料分离分级 质量传递,1蒲式耳35.238升,密度,体（容）积密度(Bulk density)物料质量与其所占容器体积之比。它与容器形状、颗粒密度、含水率、表面特性、物料充填方法有关。主要用于料仓、粮仓的设计及其承载能力的计算。容器：物料装填高度与容器直径之比为6。充填方法：一定程度的冲击震实；冲击至最紧密状态。表观密度(Apparent density)物料质量与物料体积（含外部孔隙）之比颗粒密度(Particle density)物料质量与物料实际体积之比真密度(True density)物料质量与除去物料内部孔隙后的物料体积之比,虚表容积密度,Vb 虚表容积,Va 充填容积或最终虚表容积,虚表密度,充填密度或最终虚表密度,虚表密度变化率,一般，流动性较好或内摩擦角较小的物料，虚表密度变化率越小；物料粒子形状越不规则，虚表密度变化率越大。,颗粒的堆积挤压膨胀,流体、连续固体：当温度、压力确定时，密度确定 散粒体：堆积密度与颗粒尺寸、堆积方式和历史有关。颗粒尺寸相近：堆积密度约在0.560.64范围内。颗粒大小不同，堆积密度增大。相同尺寸球形颗粒：简单立方堆积=0.52无序堆积面心立方堆积=0.74,影响因素,立方体排列 体心排列 面心排列,体积密度：物料的堆积排列方式（形状、粒径、粒度分布、表面特性等）颗粒密度：物料成份（分子质量）分子间结合、排列方式,1、悬浮法,浸液不能渗入物料内部，且能到达所有表面。,mol 容器浸液质量之和,物料密度,浸液密度,msl 容器、浸液和浸入 物料质量之和,ms 物料质量,2、比重天平法,利用分析天平或比重天平进行测试,物料比重大于浸液比重,物料比重小于浸液比重,msl 物料在液体中质量,ms 物料和配重总质量mo 配重质量msl 物料和配重在液体中总质量mol 配重在液体中质量,3、比重瓶法,适用于测定较小物料的密度。浸液要求：物料几乎不吸收该浸液；表面张力小；浸液对物料无溶解作用；沸点高，比重、粘度几乎不变；比重小。如甲苯、四氯化碳等,mw 比重瓶装满蒸馏水时总质量ml 比重瓶装满浸液时总质量 测量温度下的蒸馏水密度,浸液密度mo 比重瓶质量,ms 比重瓶和物料质量之和msl 比重瓶、物料、浸液三者质量之和,4、气体置换法,（1）压力比较法（定容法）仪器：贝克曼(Beckman)气比式比重计 方法：物料放入气室前后，气室压差保持不变。（2）定容积压缩（膨胀）法（定容法）方法：体积发生相同变化时，根据气室中装物料前后的压差变化来测定其体积。（3）不定容积法（定压法）方法：装入物料前后，体积发生变化时其压差保持不变，以测定其物料体积。,特点：不损伤物料；适于疏松多孔物料；要求物料可承受一定压力，体积变化小。,4-1 压力比较法,在物料放入气室前后，两气室压差保持不变,4-2 定容积压缩,工作原理：容器体积发生相同变化，分别测定气室中装与不装物料时的压差，从而测定物料体积,4-2 定容积压缩、膨胀法,1、压缩法,2、膨胀法,V 测量室体积V0定压缩体积Vs物料体积,Pa大气绝对压力,有物料时压差,无物料时压差,4-3 不定容积法（定压法）,V1无物料时达到给定压差时的容器体积变化量V2有物料时达到给定压差时的容器体积变化量,压力差,气室中装与不装物料时，均保证气室体积发生变化时的气室压差保持恒定,5、比重梯度管法,原理：根据物料在有一定密度梯度的液柱中的位置并通过标定曲线来确定其密度仪器：比重计或标准浮子,x 物料在液柱中的位置y、z两个标准浮子的位置,两个标准浮子的密度,比重梯度管内液体密度标定曲线随时间的变化,农业物料密度的计算,1、已知物料组成成分,2、已知物料组成成分体积占总体积的百分数,s农业物料密度mi各组成成分的质量占总质量的百分数i各组成成分的密度Vi各组成成分体积占总体积的百分数,空气：T=1.2847101-3.235810-3 T蛋白质：T=1.33103-0.518 T碳水化合物：T=1.5991103-0.31046 T脂肪：T=9.2559102-0.41757 T纤维：T=1.3115103-0.36589 T灰分：T=2.4238103-0.28063 T水：T=9.9718102+3.143910-3 T 3.757410-3 T2冰：T=9.1689102-0.1307 T温度适用范围：-40150（Choi and Okos,1985）公式适用物料：液态食品（奶、果汁）、水果、蔬菜、肉、鱼密度为物料含水率与温度的函数,温度对物料密度的影响,冰冻和新鲜农业物料的密度变化,物料含水率对密度的影响,第三节 孔隙率（porosity),孔隙（空隙）：物料间间隙孔隙率：物料孔隙体积与物料总体积之比孔隙比n：物料孔隙体积与物料实际体积之比体积实体系数k：物料实际体积与物料总体积之比,孔隙率与物料形状、堆积或充填方式、物料尺寸分布、含水率、放置时间等因素有关,孔隙率的测定,对于粉状物料，平均粒径越大，空隙容积越小，当超过某一粒径时，大致趋于定值，则该粒径为临界粒径,孔隙率与体积密度间关系,物料内部孔隙率的测定,影响硬度、弹性、塑性、抗压、抗拉等机械特性 以及物料中水分的迁移小于 103埃的孔隙称为微孔 大于 103埃的孔隙称为大孔 水银侵入速度与孔隙直径相关,第四节 表面积、比表面积,叶子、水果、蔬菜等的表面积直接反映其生长状况、产量、作业量大小及后期的热加工等的难易程度1、物料表面积及其测量 测量方法：（1）接触晒映；（2）方格纸；（3）投影测量；（4）光遮断法；（5）气流求积仪；（6）剪纸称重；（7）函数关系式2、松散物料比表面积及测量（1）透气法（2）涂层法,Sw单位质量物料的表面积Sv 单位体积物料的表面积s 粒子密度,气流求积仪及标定曲线,烟叶尺寸与其表面积关系,水果、鸡蛋表面积的计算,水果：削皮；表面积与质量间关系；直接计算,鸡蛋：,k=4.565.07 m=0.66S表面积 W质量,x,y,a,b,苹果重量与其表面积关系,透气法,K物料的渗透率 孔隙率Sv单位体积物料的表面积,q 气流流量 流体的粘度P 松散物料两边压力差 L 松散物料在流体流动方向上的长度 A 松散物料横截面积,物料的渗透率 K 表示气流在一定压力下流过松散物料的难易程度,Carman-Kozeny 方程,涂层法,测试原理：由一定几何形状并已知表面积的参照物和所测物料一起涂上一层金属粉末，根据参照物单位表面积和涂层质量的大小来计算物料表面积及比表面积。要 求：参照物的密度应接近于所测物料的密度。,第五节 水分和水活度,水分和水活度：对物料的外观、风味、硬度、流动性、加工及贮藏性能有很大影响1、水分(moisture)自由水(free water)、结合水(bound water),湿基含水率：(MC,w.b.),干基含水率：(MC,d.b.),含水量的测定,常压恒温烘干法：适用于不含有易热解和易挥发成分的物料减压烘干法：适用于含有易热解但不含易挥发性油的物料甲苯蒸馏法：适用于含有易挥发性油和干性油的物料,水活度(water activity),平衡水分(equilibrium moisture)：物料在某一环境条件下，经过无限长时间后所具有的水分。水活度：指物料在平衡水分时的环境相对湿度(ERH：environmental relative humidity)，即平衡相对湿度；也可表示为物料中水蒸汽压P和相同温度条件下纯水蒸汽压P0之比。,等温吸湿、解吸曲线(sorption-desorption isotherms)：在给定温度下，以物料平衡含水量为纵坐标，以环境相对温度为横坐标所得的关系曲线。在相同相对湿度下，平衡含水量：解吸 吸湿。即物料的含水量不仅取决于平衡相对蒸汽压，而且与趋近平衡状态的方向有关。,等温吸湿、解吸线,本章作业根据指定文献完成作业：1、密度的定义方法有哪些？如何测定相关密度？2、如何测定水活度？水活度受哪些因素影响？,