第一章农业物料的工程性质1

教学内容：1形状和尺寸、密度及其应用；

2农业物料的机械特性、热特性；

3农业物料的电磁辐射特性、电特性、磁特性；

4农业土壤的工程特性。

学习要求：1掌握基本概念。

2掌握农业物料各工程特性；

3掌握农业物料各工程特性的应用；教学重点：1基本概念；

2农业物料各工程特性的应用。第一章农业物料的工程性质11.1研究农业物料工程性质的重要意义

谷物、种子、蔬菜、水果、鸡蛋、饲料以及纤维等农业油料的基本物理参数。（2）指导本科生毕业论文（设计）草莓梨苹果小麦玉米蔬菜大麦饲料

农业物料的形状、尺寸、体积、密度、孔隙率、表面积和含水量等在许多设计和研究中有重要意义。21.1研究农业物料工程性质的重要意义在设计收获、输送、分级、清选、干燥、冷却、贮藏、加工、检测控制仪表等机械和设备时，必须了解物料这些最基本的工程参数。收获分级输送贮藏秸杆加工水果加工线蔬菜加工线31.2农业物料的形态特征1.2.1尺寸和形状

在许多应用中，如机械分选和分级、气流输送和分离以及产品的热处理等都必须精确地确定物料的形状和尺寸。物料的形状和尺寸是不可分割的两个参数,要充分地描述一个物料的形状，同时需要这两个参数。41.2农业物料的形态特征1.2.1尺寸和形状

农业物料的形状大多是不规则的。按其形态来说，有块体(如水果、块根等)、粒体(如种子和谷粒等)、粉体(如面粉和饲料等)以及茎叶体等。由于栽培和饲养条件、气象条件、含水量等不同，即使同一个品种或同一棵植株上的果实或谷粒，它们的形状也是各不相同的。由于农业物料形态差异很大，所以难以用统一的方法定义物体的形状和尺寸。目前采用的方法大部分是根据研究者的实际需要而自行定义的。51.2农业物料的形态特征1.2.1尺寸和形状

圆形扁圆长椭圆圆锥形卵形歪斜形倒卵形椭圆形平头形不对称1.2.1.1圆形与球形

61.2农业物料的形态特征1.2.1尺寸和形状

1.2.1.1圆形与球形

为了将物体的实际形状与基准形状（如球体和圆等）进行比较，引入圆度与球度概念。(1)圆度

圆度是表示物体角棱的锐度，表明物体在投影面内的实际形状和圆形之间的差异程度。用下式计算：R1R2R3R4R5R71.2农业物料的形态特征1.2.1尺寸和形状

1.2.1.1圆形与球形

(2)球度

球度是表示物体实际形状和球体之间的差异程度。假定物体的形状为三维椭球，它们和三个座标轴的截距分别为a、b和c，外接球的直径是椭球的最大截距a，则根据上述定义球度s为：81.2农业物料的形态特征1.2.1尺寸和形状

1.2.1.2尺寸的表示(1)粒径

粒径是用来表示粒状或粉状物料的形状和尺寸的一种方法。可分为单个粒子的单一粒径和表示许多不同尺寸组成的粒子群体的平均粒径。

表单一粒径表示法名称计算式名称计算式二轴算术平均值（a+b）/2几何平均值圆等值径(4f/π)1/2调和平均值定向径dg体积平均值3abc(ab+bc+ac)-1注：f——投影面积。91.2农业物料的形态特征1.2.1尺寸和形状

1.2.1.2尺寸的表示(1)粒径：粒子群体的平均粒径。

101.2农业物料的形态特征1.2.1尺寸和形状

1.2.1.2尺寸的表示(2)粒径计算方法：1)粗颗粒按质量与粒子数根据球体积公式计算平均匀粒径；2)细粉平均粒径：筛分法。a.确定测定全部粒子的粒径分布。将一定量粉料用筛孔尺寸d1、d2、……dm+1个筛子的m+1个筛子进行分级；b.d1至d2的粒子其平均直径为D1=（d1d2

）1/2，其质量百分数为x1;d2至d3的粒子其平均直径为D2=（d1d2

）1/2

，其质量百分数为x2;

……

dm至dm+1的粒子其平均直径为Dm=（dmdm+1

）1/2

，其质量百分数为xm;c.调和平均径为

ds={∑(xi/di)}-1d.算术平均径为

ds=∑(xidi)111.2农业物料的形态特征1.2.1尺寸和形状

1.2.1.2尺寸的表示(3)粒度分布

粒度累积分布曲线

d50粒径累积分布量(%)粒度累积分布曲线粒度频率分布曲线

d50粒径分布量(%)121.2农业物料的形态特征1.2.2密度

农业物料的体积、密度和比重在许多场合是必不可少的原始数据。干草的干燥和贮存、青贮仓和贮存仓的设计、青贮料的机械压缩、颗粒饲料和草饼的稳定性、分离和分组、气流和水力输送、种子纯度测定和成熟度评定等都需要密度和比重的数据。物体每单位体积内所具有的质量称密度。物体的质量与同体积的l大气压、4℃的纯水的质量之比称比重。131.2农业物料的形态特征1.2.2密度

1.2.2.1真实密度

真密度又称固体密度，是把试料仔细粉碎除去物料内部空洞所占体积求得的密度。农业物料的密度及测量：浮力法、比重瓶法，比重梯度法、气比法和定容积压缩法

液浸法—悬浮法气体置换法——压力比较法141.2农业物料的形态特征1.2.2密度

1.2.2.2容积密度与孔隙率

容积密度是把试料装入已知体积的容器内，测量装入容器内的物料质量，根据容器体积和物料质量求得的密度。松散物料孔隙所占体积和整个物料所占体积之比为孔隙率。固体农业物料组成物的密度组成成分密度(kg/m3)组成成分密度(kg/m3)葡萄糖1560脂肪900～950蔗糖1590盐2160淀粉1500柠檬酸1540纤维素1270～1610水1000蛋白质1400151.2农业物料的形态特征1.2.3农业物料形态特性在农业工程中的应用1.2.3.1品质评定良好的谷粒和种于都是颗粒健壮饱满、容积密度大的。1.2.3.2确定物料清选和分级工艺

(1)根据密度分级、清选

(2)根据形状分级、清选

1617181.3农业物料的机械特性

1.3.1应力、应变与破坏农业物料的机械特性主要包括应力、应变与破坏特性、流体动力学特性、流变特性、摩擦特性等。农业物料的机械特性是运输、选择、搅拌、计量等工艺设计和机械配备的设计依据，是应优先考虑的问题之一。破坏的弊端：谷物破损易招虫和吸湿霉变，种子破损后发芽率降低，蔬菜和水果碰撞受伤后很快褐变霉烂，等等。破坏的应用：比如小麦制粉、饲料粉碎、青贮铡断、薯类打浆等，都希望易于破碎或部分易于粉碎，以便提高生产率和减少能耗。所以必须了解物料破坏原因及受力与变形、破坏的关系。191.3农业物料的机械特性

1.3.1应力、应变与破坏1.破坏原因：机械力；其它应力；物料自身的生化作用。2.破坏形式：切割、拉伸、压缩、撞击、扭转等。3.农业工程中应根据物料的特性，选择适当的保护措施或利用其特性进行加工。201.3农业物料的机械特性

1.3.2流体动力学特性

在农业工程中以空气或水作为载运体，利用流体动力学原理对农业物料进行加工、输送和分离是比较常用的方法。这时，固体物料存在于流体之中，并受到来自流体的力的作用。因此，了解农业物料流体动力学特性是十分必要的。1.阻力与升力V——流体流速；FL——升力；FD——阻力。211.3农业物料的机械特性

1.3.2流体动力学特性1.阻力与升力流体对物体的阻力是由摩擦阻力和形面阻力组成。

摩擦阻力为作用在物体表面上的切向力沿相对运动方向上的总和。

形面阻力或压差阻力是由于流体的附面层在物体后部产生分裂而形成涡流，使后部的压力降低所致，其数值为作用在物体表面上所有压力沿相对运动方向上的总和。在层流或低速流动中，流体的密度变化不大，粘性作用支配着流体的流动，形面阻力可以忽略不计。在紊流或高速流动中，流体受压缩而不受粘性作用支配，摩擦阻力可忽略不计，形面阻力占主导地位。221.3农业物料的机械特性

1.3.2流体动力学特性1.阻力与升力流体的阻力可按下式计算：式中：FD——阻力；

A——物体投向相对速度垂面上的面积；

ρf——流体的密度；

C一阻力系数，与物体的形状、表面状态和雷诺数有关，一般由实验确定。

231.3农业物料的机械特性

1.3.2流体动力学特性1.阻力与升力圆球和圆盘的阻力系数241.3农业物料的机械特性

1.3.2流体动力学特性1.阻力与升力表面光滑的圆柱周围的静压系数分布正压负压0°100°180°

(a)251.3农业物料的机械特性

1.3.2流体动力学特性2.物料在流体中的临界速度沉降速度：物料从静止的流体中自由下落，最终达到匀速向下运动，把这一速度称为该物料的沉降速度。悬浮速度：如果流体以物料沉降速度向上运动，则物料颗粒将会在某一水平上呈悬浮状态，把此流体速度称作物料的悬浮速度。悬浮速度和沉降速度其意义不同而数值相同，把沉降速度和悬浮速度统称为临界速度。261.3农业物料的机械特性

1.3.2流体动力学特性2.物料在流体中的临界速度物料在静止流体中自由下落达到临界速度时，物料受到的流体阻力、重力和流体浮力将达到平衡，即Fg=Fb+Fr式中：Fg——重力，Fg=mg；

Fb——浮力；Fb=m/ρsρfg，ρs——物料密度，ρf——流体密度；

Fr——流体对物体的阻力，Fr=0.5CAρfv2则有物料的临界速度：FgFbFr271.3农业物料的机械特性

1.3.2流体动力学特性2.物料在流体中的临界速度(1)球形物料的临界速度

质量：投影面积：

临界速度：281.3农业物料的机械特性

1.3.1流体动力学特性2.物料在流体中的临界速度(2)不规则物料的临界速度

物料形状对临界速度影响很大。C不规则>C球→当物料达到临界速度时，由于不规则形状物料和当量球体所受重力和浮力相等，所以二者所受阻力也相等，即291.3农业物料的机械特性

1.3.2流体动力学特性2.物料在流体中的临界速度(2)不规则物料的临界速度

式中：vts——不规则物料的临界速度；vts——当量球体的临界速度；

φ——形状修正系数或球形折合系数，谷粒的形状修正系数谷粒种类水稻小麦高梁玉米大豆形状修正系数3.022.472.172.111.33301.3农业物料的机械特性

1.3.2流体动力学特性2.物料在流体中的临界速度(2)不规则物料的临界速度

部分农业物料的临界速度物料临界速度(m/s)物料临界速度(m/s)物料临界速度(m/s)小麦9-11玉米9.8-14苹果38.5-41.3面粉2-3花生12.5-15砂糖8.7-12大麦8.4-10.8高梁9.8-11.8李子31.9稻谷8.1-10.1小米13.2大豆10菜籽8.2茶叶6.9马铃薯23.2-32.9311.3农业物料的机械特性

1.3.2流体动力学特性2.临界速度应用(1)物料清选分离气流分级、分离机风臂筛网风机喂料单道气流分选机321.3农业物料的机械特性

1.3.2流体动力学特性2.临界速度应用(1)物料清选分离1、阶梯抖动板2、风扇3、筛子4、谷物螺旋推运器5、杂余螺旋推运器气流筛子式构造331.3农业物料的机械特性

1.3.2流体动力学特性2.临界速度应用(2)气力输送影响物料流动状态的因素主要是气流速度和物料在气流中的浓度。高速气流物料悬浮流动，管内下部密度大(图a)；气流速度降低时，物料出现疏密不均状态，在管底出现砂丘：比堆积层(图b)；流速再降低时，砂丘堆积会阻塞管道，形成物料的间断流动(见c)；流速进一步降低会使管底物料堵塞不动，仅有一部分在管顶呈波状前进(图d)。341.3农业物料的机械特性

1.3.2流体动力学特性2.临界速度应用(2)气力输送实际设计中，应有足够的气流速度及流量以保证管道不堵塞。气流速度应根据理论研究及实验结果综合选取，通常可按下式确定式中φ——速度系数。部分农业物料的常用气流输送速度物料输送速度(m/s)物料输送速度(m/s)物料输送速度(m/s)小麦15-24玉米25-30碗豆17-27面粉10-18花生15砂糖25大麦15-25棉籽23盐27-30稻谷16-25亚麻籽23大豆18-30大米16-20谷壳14-20荞麦15-23351.3农业物料的机械特性

1.3.2流体动力学特性2.临界速度应用(2)气力输送361.3农业物料的机械特性

1.3.2流体动力学特性2.临界速度应用(3)水力输送水力输送主要用于饲料、畜禽粪便、水果和蔬菜等的输送。按输送方式可分为敞开式沟槽和封闭式管道两种。水力输送的优点是比较经济而且可减小物料的损伤，在输送过程个又对物料进行了清选。371.3农业物料的机械特性

1.3.3流变特性农业物料的流变特性是研究物料在外力作用产生的变形和流动，以及载荷作用的时效。用应力、应变和时间三个参数来表示。研究应力、应变和时间关系及物体的变形与流动科学称为流变学。农业物料如种子、水果、蔬菜、饲料等固体生物物料弹性随着育龄和生理状态而变化，液体农业物料大部分是非牛顿流体，所以研究较为复杂。研究农业物料的流变特性有利于深入了解物料的结构，改进农业产品加工中的质量，为加工设备提供设计论据，等。381.3农业物料的机械特性

1.3.3流变特性1.理想物体的流变特性物体在外力作用下产生变形，其表现形式为变形和流动，其中流动又可分为粘性流动和塑性流动，所以弹性、粘性和塑性是描述固体农业物物料流变特性的三种基本性质。理想弹性体——虎克体理想粘性体——牛顿流体理想塑性体——圣维南体

研究时常以上三个理想体的不同组成合建立实际物料的流变模型。39理想弹性本应力应变关系可用虎克定律表示如下：

E=σ/εE——弹性模量σ——拉伸或压缩应力ε——拉伸或压缩应变当理想弹性体受到剪应力时，其剪切模量可由下式求出

G=τ/γG——剪切模量τ——剪切应力γ——剪切应变1.3农业物料的机械特性

1.3.3流变特性1.理想物体的流变特性（1）理想弹性体当理想弹性体受到静液压力作用时，体积模量由下式求出

K=P/εVK——体积模量

P——静液压力εV——体积变化应变ε应力σ40

τ=η

式中：τ——剪切应力

η——粘度——剪切应变速率

1.3农业物料的机械特性

1.3.3流变特性1.理想物体的流变特性（2）理想粘性体

液体阻碍或抵抗自己流动的性质称为粘性。流体在静止、流动状态下都具有粘性，但只有在流体流动时才能显示.理想粘性体剪切应力和剪切应变成正比，即：剪切速度剪切应力τ41

1.3农业物料的机械特性

1.3.3流变特性1.理想物体的流变特性（3）理想塑性体当σ<σb

ε=0当σ>

σb

ε→∞应变ε应力σ42

1.3农业物料的机械特性

1.3.3流变特性2.粘弹性实际物料性质与理想物料的性质有很大的差别。表现在：

(1)固体的应力与应变关系和液体的应力与应变速率比虎克体或牛顿流体的关系更为复杂；

(2)应力和应变关系与应变速率及时间的高阶微分方程有关。粘弹性：物料的应力、应变、应变速率与时间相关产生的特性，既有液体的特性，又有固体的特性，是两种特性的综合。431.3农业物料的机械特性

1.3.3流变特性3.流变模型农业物料不是简单的弹性体、粘性体、塑性体，单一模型不能表达物料的性质，必须将理想基本模型组合才能建立物料的流变模型。

建立流变模型必须满足以下条件：

(1)模型必须能预测任何应力—应变情况下的实际物料性质；

(2)模型必须能适应拉伸和压缩应力及其对应的应变；

(3)在实际物料中，当流变特性发生变化时必须能依据模型参数加以解释。441.3农业物料的机械特性

1.3.3流变特性3.流变模型EηABσp=σv=ηγσs=Eεs弹性元件

粘性元件

塑性元件(1)流变模型的基本单元和流变方程式451.3农业物料的机械特性

1.3.3流变特性3.流变模型(2)麦克斯韦模型应变ε应力σ时间t时间t麦克斯韦模型应力松弛曲线麦克斯韦模型Eησ461.3农业物料的机械特性

1.3.3流变特性3.流变模型(3)开尔文模型应变ε时间t时间t应力σ开尔文模型Eση471.3农业物料的机械特性

1.3.3流变特性4.实际物料的流变特性481.3农业物料的机械特性

1.3.4摩擦特性1.滑动摩擦角滑动摩擦角表示散粒物料与接触固体相对滑动时，散粒物科与接触面间的摩擦特性，其正切值为滑动摩擦系数f。影响滑动磨擦角的因素：(1)物料的含水率。一般随含水率增加而增加。(2)接触面的材料和粗糙度。(3)运动速度。式中：F——摩擦力；N——正压力。491.3农业物料的机械特性

1.3.4摩擦特性1.滑动摩擦角物料农业物料的滑动摩擦角钢板木板橡胶板水泥板小麦22283032大麦25323331稻谷27293136玉米20222324大豆192425高梁20233727面粉333519豌豆141526蚕豆202426向日葵272430马铃薯272930501.3农业物料的机械特性

1.3.4摩擦特性1.滑动摩擦角应用：

(1)维持或改变物料的运动状态。

如：在物料输送中，选用摩擦系数较小的材料做螺旋叶片和外壳，减少正压力以降低摩擦力；添加润滑剂以降低摩擦系数；物料精选中选用具有相应摩擦系数的筛片或网面。

(2)应用摩擦特性。

如：常用带式摩擦分选装置主要部件为一条具有一定倾角的回转带。511.3农业物料的机械特性

1.3.4摩擦特性1.滑动摩擦角应用：(3)合理设计结构。整体流漏斗流如果散粒物料在料仓和料斗的中心部分产生漏斗状的局部流动，而周围其它区域的物料停滞不动，则称为中心流或漏斗流。漏斗流流动时，先装进去的物料后流出来，漏斗状通道周围的静止物料形成死区，减少了料仓的有效空间。在狭窄的漏斗状通道中流动不稳定，速度不均匀，容易在料斗内“结拱”，引起流动中断。521.3农业物料的机械特性

1.3.4摩擦特性1.滑动摩擦角应用：(3)合理设计结构。设计料斗时应使物料获得整体流。由图可知，当物料滑动摩擦角和料斗锥顶角较小时可形成整体流。料斗锥顶半角一般在15～20°之间较为合适。531.3农业物料的机械特性

1.3.4摩擦特性2.流体物料的摩擦特性流体接触固体部分受摩擦牵动后会影响其相邻层，并不断向远处传递，其逐层摩擦牵动主要受流体粘性的作用。流体粘性越大，其摩阻也越大，驱动时要更大的力，流动中减速也快。液体的流动性用粘度来表示。粘度的定义：是指距离lm的流体内有lm／s的速度梯度时,在垂直于该速度梯度面单位面积上所受的力，表示为Pa·s（帕秒）。影响粘度的因素：1）温度↑→液体的粘度↓2）压力（高压）↑→液体的粘度↑3）溶液浓度↑→液体的粘度↑541.3农业物料的机械特性

1.3.4摩擦特性2.流体物料的摩擦特性551.3农业物料的机械特性

1.3.4摩擦特性2.流体物料的摩擦特性应用：主要用于评定物料的质量。561.3农业物料的机械特性

1.3.4摩擦特性3.散粒物料的摩擦特性休止角指散粒物料从一定高度自然连续地下落到平面上时，所堆积成的圆锥体母线与底平面的夹角。休止角反映了散粒物料的内摩擦特性和散落性能，表示单粒物料在料堆上滚落能力。571.3农业物料的机械特性

1.3.4摩擦特性3.散粒物料的摩擦特性影响休止角的因素：形状：粒子愈接近于球形，其休止角愈小。尺寸：对于同一种物料，粒径愈小休止角愈大。这是由于细小的粒子之间相互粘附较大的缘故。含水率：随含水率增加而增大等有关。这是因为每个粒子被潮湿的表层包围，使其内摩—按力和粒子间粘附作用增加。堆放条件：如果对物料进行振动，则休止角减小。物料粒子愈接近于球形、粒径愈大，振动影响愈显著。

581.3农业物料的机械特性

1.3.4摩擦特性3.散粒物料的摩擦特性应用：散粒物料的半流体性质对仓壁有较大。侧压卸料口应安排在仓底中部以防侧口卸料造成仓壁偏压倒塌。侧偏力卸料侧卸形成侧偏591.4农业物料的热特性

农产品销售前往往经受各种类型的热加工，如加热、冷却、干燥、冷冻、脱水等，产品温度的变化很大程度上取决于它本身的热特性。农业物料的加热或冷却可采用导热、对流和辐射等方式完成。比热、导热率、导温系数、对流换热系数、热辐射系数等是设计热加工设备或预测加工过程的基本数据。在加热或冷却过程中为保持产品品质，必须限制产品的温度，这同样需要了解其热特性。热处理必须选择适当的温度与时间以保证最佳效果，这些参数的选择都与热特性密切相关。农业物料的热特性随成分、物理结构、物质状态、含水率、温度的变化面改变。601.4农业物料的热特性

1.4.1传热的基本方式热量传递有三种基本方式：导热、对流和辐射。1.导热热量从温度较高的物体传到温度较低的物体，或者从从一个物体中温度较高的部分传到温度较低的部分为导热。2.对流换热流体各部分之间发生相对位移，把热量从一处带到另一处，这种现象称为对流。流体内部存在温度差时，因流体密度随温度改变所引起的流体流动称为自然对流。流体依赖外力产生的流动称为强制对流。流体对流时和固体表面之间热量传递过程称为对流热热。3.辐射辐射是固体、液体和气体因温度不同，物体间相互进行的辐射和吸收形成的换热过程。611.4农业物料的热特性

1.4.2农业物料具有的热特性

1.比热一定量物质温度每升高1K所吸收或放出的热量称为该物质的比热。恒压过程中的比热称为定压比热。恒容过程中的比称称为定容比热。农业物料的比热随组成成分、含水率、温度而变化。

1892年Siebel提出，农业物料比热可取物料中水的比热以及与水结合在一起的固体物质的比热之和。由下式计算：

C=（Cw-Cd）M+Cd式中：C——农业物料的比热；

Cw——水的比热；

Cd——固体干物质的比热；

M——湿基含水率621.4农业物料的热特性

1.4.2农业物料具有的热特性

1.比热

631.4农业物料的热特性

1.4.2农业物料具有的热特性

1.比热

(1)农业物料的比热随含水率而变，一般呈线性关系；由于物料干物质的比热远小于水的比热，所以农业物料的比热值视含水量而变。

(2)一般，农业物料的比热随温度的升高而增大。641.4农业物料的热特性

1.4.2农业物料具有的热特性

2.导热系数导热系数又称导热率，是两个具有温度梯度的平面间的单位面积传导的热量，反映了物料的导热能力。农业物料含有大量水分，和比热一样，物料的导热率也可根据它们的含水率和固体干物质导热加以计算，如下式：

K=MKw+(1-M)Kd式中：Kw、Kd分别为水和固体干物质的导热率。

651.4农业物料的热特性

1.4.2农业物料具有的热特性

2.导热系数

(1)农业物料的导热率随含水率而变，一般呈线性关系。

661.4农业物料的热特性

1.4.2农业物料具有的热特性

2.导热系数

(2)除水和甘油外，大多数液体物料的导热率随温度的升高而降低，气体的导热率随温度升高而增加，冰的导热率大于水。谷物农业物料的导热率在冰点以上随温度升高而增大；冰点下则相反。

(3)物料的导热率受子粒尺寸的影响。在相同含水率和温度时，籽粒尺寸越大大，其导热率也越大。

(4)物料的导热率受容积密度的影响。在相同含水率和温度时，物料的导热率随容积密度的增加而增加。671.4农业物料的热特性

1.4.2农业物料具有的热特性

3.导温系数导温系数α又称热散系数，是单位时间沿法向通过单位面积的热量除以比热、密度和温度梯度的乘积，是衡量物料受热后温度传导能力的一个重要参数。

α=K/Cρ=dQ/{dA(dT/dx)Cρ}

如果导热率一定，体积热容愈大则导温系数愈小，即物料贮存热能能力愈大，物料不易加热升温。681.4农业物料的热特性

1.4.3农业物料热特性在农业工程中的应用

1.为烘干和冷却设计工艺参数和规范加热烘干热量多少——比热，从而确定烘干温度与时间；物料热处理灭菌与消毒；水果、蔬菜气冷贮藏时需要物料的热特性。2.物料品质检测应用测定物料比热的方法，判断物料的纯度。691.5农业物料的电磁辐射特性

电磁辐射是电磁波、特别是相关的电磁能量以波形式发射的过程。电磁波类型依波的长短不同有红外线波、可见光波、紫外线波和X射线波等。

各种农业物料都对不同波长的电磁波具有不同的反射、折射、绕射、散射和吸收作用，有时引起物料内部组织和结构的各种特定变异。根据这些特性可对农业物料进行检查、分析、加工和处理。701.5农业物料的电磁辐射特性

1.5.1农业物料的可见光特牲

1反射特性

用反射率R表示，指被物料反射回来的光波强度IR与射向物料总光波强度IO之百分比，即

R=（IR/IO

）×100%物料对光的作的作用711.5农业物料的电磁辐射特性

1.5.1农业物料的可见光特牲

1反射特性

影响因素：

(1)物料类型；

(2)不同发育成熟阶段.722光透射特性

用透射率T表示，是通过物料的光波强度IT与射向物料光波强度Io的百分比：

T=（IT/Io）×100%通常用吸光度A表示:A=log(1/T)影响因素：物料的致密度和厚度；物料对光的折射与散射等。应用：反映外表特性和内部特性。例如检查鸡蛋的新鲜度。733物料的延迟发光特性

夜光表、发光工艺品和道路桥梁标志经光照吸收可见光后在相当一段时间内仍能保持其较强的荧光，叶绿素经光照后的数秒甚至数分钟内，表面也会发光，称延迟发光（DLE）。

影响因素：(1)光照时间(2)光照强度(3)暗处理（激发光照射前是在暗室中放置10～20mln）(4)叶绿素含量(5)样品的温度等。744微弱发光目前已经发现，除了一般的生物发光和化学发光之外，所有生物机体都存在一种极微弱的光子辐射，称之为超微弱发光，其发射光谱在180－800nm范围，光强很弱，只有10－104

光子/sec·cm2

，量子效率为10-14

－10-9。

光虽很弱，但生物机体的这种普遍发光现象却与氧化代谢、解毒作用、细胞分裂和死亡、光合作用、致癌作用以及生长的调节等过程有着内在联系。

754微弱发光微弱发光测量仪

764微弱发光著名的大豆发芽期间光子发射二维强度分布774微弱发光茶多酚对于羟自由基（·OH）引起的

DNA损伤发光有抑制作用0150300450600750900012345Non-DNADNA0.125μg/ml0.25μg/ml0.5μg/ml1.0μg/ml2.0μg/ml随着茶多酚浓度增加DNA损伤发光逐渐减弱781.5.2农业物料的其它光辐射特牲

可见光：波长约为0.40～0.77μm不可见光：波长0.77～1000μm的红外线电磁波波长0.39～0.04μm的紫外线电磁波1红外线作用（1）热效应和穿透能力；（2）散发水分而获得均匀干燥；（3）杀虫灭菌；（4）近红外的光谱分析法可以准确快速地测定谷物、饲料、烟草等农产品的品质和主要成分；（5）远红外探测器可探测森林灾情、作物长势和预报病虫害等。792紫外辐射（紫外光）（1）具有光激发光现象；（2）根据种子细胞和化学成不同，在紫外光照射下发不同色的光，检验外观相同的种子纯度，（3）剔除受霉菌（包括玉米黄曲霉素）感染的谷物（4）紫外辐射对动、植物有较强的生化反应；强度适当的照射能促使维生素D的转化；强度过大只用于对禽畜舍消毒和饮用水杀菌。801.5.3农业物料的其它电磁辐射特牲

1微波

波长0.1～0.01m，更接近于红外线波；

特点：反射、折射、散射和吸收作用比短波显著，主要是利用其辐射的热特性和生物效应，有利于干燥。微波热特性表现为透入物料内都的能量会被物料吸收而转化为热能。

应用：（1）加热干燥；（2）杀灭食品和谷物的有害微生物；（3）恰当的剂量下，可激活细胞，处理种子时会增加发芽率。81

X射线和放射性同位素波长比紫外线还短，穿透力也强。

γ射线穿过农业生物有机体时，会使其中的水和其它物质电离，生成游离基或离子，从而影响到有机体的新陈代谢。用γ射线辐射处理可推迟果菜的完熟期，抑制块根、块茎和鳞茎的发芽和延缓蘑菇的破膜开伞。应用：（1）诱变育种。（2）杀菌保鲜（γ），出口农产品需经γ射线杀菌处理。2放射性辐射波821.5.4电磁辐射的应用831.5.4电磁辐射的应用841.6农业物料的电特性和磁特性

1.6.1生物电生物体内存在电位，比如电鳗具有伤及其他生物的高电压，许多禽畜在活细胞、组织和肌体的不同点之间均能测得电位差。在植物中也发现有生物电，发芽期间种子胚芽和其他部位间就有电位差，光合作用中阳光照射的明暗部位也有电位差。

植株受到机械、化学或热流的刺激时，在受伤和完整的部位间存有电位差，而且电位差值还随伤势而增加。

851.6.2介电特性定义：大多数农业物料是吸湿性电介质，即在失去自由水后是电介质，具有自由水时是导体或半导体，反映这种变化的特性为介电特性。

介电常数：在电场充满某种电介质物料的情况下，电通量密度D与电场强度E之比是一常数。

ε=D/E相对介电常数：εr=ε/ε0

式中：ε0——真空介电常数。意义：表示该物料可能贮存电场能量的能力，即提高电容量的能力。影响因素：电波频率、含水率和温度。861.6.2介电特性影响农业物料介电特性的因素：(1)电波频率、温度；水：频率为27MHz时，水在O℃时，ε=89，当水温提高到25℃和60℃后,则分别下降到78.3和65.8．

去皮花生的介电特性与含水率（MC）和电波频率（f）的关系：ε=3.153—0.049f＋0.136（MC）(2)含水率,如图稻谷含水率与介电常数关系；(3)散粒体容积密度↑→ε0

↑；(4)液体压力↑→ε0

↑。871.6.3电阻率大部分农业物料都含有一定的水分，有一定的导电性，也就有可测的电阻率．对干吸湿性物料，其电阻率ρ和水分W有如下关系:logρ=-aW+b影响因素：品种、密度、温度等。

应用实例：将两根探针捕入西瓜，可测出其电阻率和含糖量的关系；不仅可对比西瓜品种；更能测定西爪的成熟度和内部甜度分布状况。881.6.4磁特性应用：人体机能有良好的调理作用，对其它生物也有一定调控作用。例如：（1）植物：利用磁化水（经磁场处理的水）灌慨农田则有利干根系吸收水分和叶与茎的生长，使冬小麦增产10％～36％，玉米增产10％～18％。891.6.4磁特性（2）动物：蜜蜂远放仍能回巢就是因其腹部有超顺磁铁。浇磁化水浇灌丝瓜对其根系生长的影响901.6.5农业物料电特性在农业工程中的应用1含水率测定：水分与许多电特性有较好的线性关系电阻式、电容式、电感式和介电式等水分测定仪

2物料的干操：电能加热干燥湿控准确，便于自动化。选用介电损耗原理，采用高频（l～150MHz）和超高频（915～2450MHz。）更有优越性。3质量评定：区别有生命体和无生命体、正常体和伤残体如：用电导仪测牛奶是否正常；鸡蛋的主频率值也可判定其新鲜度.

4种子处理：高低频电流处理种子小麦、黄瓜和番茄等能明提高发芽率；高压静电常用于茶梗分检和种子清选；介电分选；利用直流电促进或抑制洋葱、马铃薯等的细胞分裂过程。911.7农业土壤的工程性质

1.7.1土壤及农业土壤的形成土壤是指陆地上能够生长植物的疏松表层，是疏松多孔、含有各种化学元素、通气透水的物质。土壤之所以能生长植物，是因为

土壤具有肥力，指土壤供给和协调植

物生长发育所需要的水分、养分、空

气、热量、扎根条件和无毒害物质的

能力。水、肥、气、热是土壤的四大

肥力因素，它们之间相互作用，共同

决定着土壤肥力的高低。921.7农业土壤的工程性质

1.7.1土壤及农业土壤的形成土壤的形成：岩石风化→碎屑→风力、水力及重力搬运和堆积→土壤母质细菌、放线菌、真菌、原生动物、藻类等的滋生繁衍，其代谢产物及死亡分解为植物能吸收的养分，改变土壤母质的物理，化学物质，为植物生长创造了条件。植物腐败的枝叶及死亡的机体又回归到土壤中。这种经自然现象和生物及微生物反复作用结果即形成自然土壤．农业土壤：人类通过耕作、施肥、灌溉或排水，施用土壤改良剂，平整土地，栽培农作物等农业措施，使土壤适合于农作物生长。通常旱田农业土壤的最上层是厚约15～20cm的耕作层。931.7农业土壤的工程性质

1.7.2土壤孔隙率、土壤水和空气小试验：一方普通的土块，用力将土压实，土块体积变小，约为一半。结论：土壤中有空隙。土壤孔隙度：单位土壤体积内孔隙所占的比例。土壤孔隙度（%）=（1―容重∕比重）×100

固相：矿物质(骨架)，有机物，微生物，约占总体积的50%。土壤

液相：土壤水分。

气相：土壤空气。941.7农业土壤的工程性质

1.7.2土壤孔隙率、土壤水和空气土壤水：水分作为土壤的重要组成部分，参与土壤中不断进行的各种物质和能量的转化。吸湿水：土粒依据分子引力和静电引力从土壤空气中吸收的气态水分，是最靠近土粒表面的一层水膜。影响空气湿度。膜状水：土壤含水量达到吸湿系数后，土粒剩余的分子引力和静电引力吸附的液态水膜。毛管水：土壤含水量超过最大分子持水量时依靠毛管力保持在毛管孔隙中的液态水。重力水：土壤含水量超过田间持水量后，多余的由于重力作用沿大孔隙向下渗漏的水分。951.7农业土壤的工程性质

1.7.2土壤孔隙率、土壤水和空气土壤空气：一般情况下，土壤空隙被水和空气共同占据。土壤也和自然界许多生物活体类似，在不停地进行着“呼吸”。土壤空气组成复杂，最重要且所占分量最多的是O2的CO2。一般，土壤中CO2含量比大气含量高5-10倍，O2含量比大气稍低；土壤空气湿度在99%以上；还原性气体如CH4、H2S比大气中多。植物根系、微生物和一些小动物生长都需要氧，同时排出CO2，如果土壤中O2含量过低，或和CO2和其他还原性气体积累过多，就会影响植物的生长。综上，土壤空气是土壤肥力的的重要要素之一，参与土壤中不断进行的各种物质和能量的转化。961.7农业土壤的工程性质

1.7.3土壤含水率与土壤状态土壤含水率与其力学性质密切相关。随着含水率增加，土壤的性质可由固体经塑性体最后变化为流体。抗剪力、粘结力在塑性左右接近最大。含水率小→大物理状态固体略有可塑性塑限可塑液限粘滞性流体力学性质抗剪强度大→最大→小粘附力大→大→小可压缩性大→大→小粘结力大→大→小对动力机的牵引力大→大→小表粘性力土壤力学性质和含水量关系971.7农业土壤的工程性质1.7.3土壤含水率与土壤状态981.7农业土壤的工程性质

1.7.4土壤强度与破坏土壤强度是土体在外力作用下，由于土壤的粘结力和颗粒相互位移的摩擦力等影响，不会引起屈服应变和破坏的最大应力。外力：剪切，压缩，拉伸，穿透等。破坏形式：断裂、压缩、塑流等。

理想土垡的翻转991.7农业土壤的工程性质

1.7.4土壤强度与破坏

(1)抗剪强度耕层土壤在耕作机械工作部件（如犁体、中耕铲等）作用下，往往出现剪切破坏，其剪应力大致服从库伦定律：

τ=c+σtgφ式中τ—剪应力（kN/cm2）

σ—剪切面上的法向压应力（正应力）；

c—单位粘结力（kN/cm2），是同类粒子间相互结合在一起的作用力；

tgφ—土壤与土壤之间的摩擦系数，又称土壤的内摩擦系数；

φ—土壤的内摩擦角。1001.7农业土壤的工程性质

1.7.4土壤强度与破坏

(2)承压强度土壤承压强度表示支持车辆等载荷不使其下陷的支承能力。

土壤的抗压性、抗楔性和抗位移等力学特性等，是构成土壤耕作阻力的主要因素。

(1)抗剪强度

1)土壤的抗剪强度与含水率有关。随着含水率增加，土壤强度急剧下降。

2)耕作时为了保证适当的碎土性能，应选适宜的含水率时耕作。1011.7农业土壤的工程性质

1.7.5土壤结持度1.凝聚力：土壤颗粒间的粘结力，是土壤产生强度的重要原因。2.附着力：是土壤与其接触物体间的的粘附力。土壤同金属接触面之间的附着力，几乎完全是因水膜的表面张力所造成的。因此，附着力也与土壤质地、含水量、接触面的材料和光洁度等因素有关。土壤沿着耕地机械工作表面的滑移阻力

T=F+F′=μN+μ′N′A′式中μ—土壤对钢的摩擦系数

N—作用在工作表面上的法向载荷

μ′—附着系数

N′—由水膜吸附作用而产生的法向载荷

A′—吸附水膜的面积当摩擦力和附着力大于土壤凝聚力和内摩擦力时，农具的工作表面就会粘土。工作部件表面粘土，不但会使耕作质量变坏，而且会增加牵引阻力。1021.7农业土壤的工程性质表各种土壤的粘结力及对铁片的粘着力1.7.5土壤结持度土壤干土的相对粘结力(以灰色纯粘土作为100)湿土