农业物料学-第二章-2011-2012课件

PhysicalPropertiesofAgriculturalMaterials农业物料物理特性课程考核课程讲授：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，1998PhysicalPropertiesofPlantandAnimalMaterials,MohseninN.N.GordonandBreachSciencePublishers,Inc.,NewYork,1970ThermalPropertiesofFoodsandAgriculturalMaterials,MohseninN.N.GordonandBreachSciencePublishers,Inc.,NewYork,1980PhysicalPropertiesofFoodandAgriculturalMaterials(ATeachingManual),MohseninN.N.GordonandBreachSciencePublishers,Inc.,NewYork,1981PhysicalPropertiesofFoods,Serpil

SahinandServet

Gulum

Sumnu,Springer,2006FundamentalsofFoodProcessEngineering(ThirdEdition),RomeoT.Toledo,Springer,2007ViscosityofLiquids:Theory,Estimation,Experiment,andData,DABIRS.VISWANATH,Springer,2007HeatConvection,LatifM.Jiji,Springer,2006HeatandMassTransfer,HansDieterBaehr·KarlStephan,Springer,2006ElectronicIrradiationofFoods:AnIntroductiontotheTechnology,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。农业物料的性质组织结构物料的物理特性活体的生理活动物料的生物生理特性材料的组成成分物料的化学特性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主要农产品第一节形状和尺寸一、图形比较法(chartedstandards)二、类似几何体表示法(resemblance)三、形状指数(shapeindex)四、轴向尺寸(axialdimensions)五、粒径(particledimension)六、曲率半径(radius)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形状体积表面积备注长球体a、b为椭圆的长、短半轴；r1、r2为圆锥体上下截面处半径；h为截头圆锥体高度；r为球体直径扁球体截头正圆锥体球体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(shapefactor)：表示物体实际形状与球体的接近程度。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。BannesenandFenchel,1948PolyaandSzega,1951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（n＝1，2，3……），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）。

目数m筛孔尺寸a(mm)网丝直径d(mm)目数m筛孔尺寸a(mm)网丝直径d(mm)320.4950.3001150.1240.097350.4170.3101500.1040.066420.3510.2541700.0890.061480.2950.2342000.0740.053600.2460.1782500.0610.041650.2080.1832700.0530.041800.1750.1423250.0430.0361000.1470.1074000.0380.025国内常用标准筛目数m筛孔尺寸a(mm)目数m筛孔尺寸a(mm)目数m筛孔尺寸a(mm)82.50450.4001300.112102.00500.3551500.100121.60550.3151600.090161.25600.2801900.080181.00650.2502000.071200.90700.2242400.063240.80750.2002600.056260.70800.1803000.050280.63900.1603200.045320.561000.1543600.040350.501100.140400.451200.150泰勒标准筛显微镜法光学显微镜：0.8-150μｍ电子显微镜：<0.8μｍ扫描电镜和透射电镜常用于：1nm~5μｍ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：2~100μｍ离心沉降法：10nm~20μｍ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：5nm~100μm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<<λ(d<1/10λ)时，属于Rayleigh散射范围，光均匀地向各个方向散射当d≈λ，但d<λ时，属于Rayleigh-Gans-Mie散射范围，光非均匀地向各个方向散射当d≈λ，但d>λ时，属于Anomalous衍射（反常衍射）范围当d>>λ(通常d>10λ)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1μm的颗粒粒径（平均粒度，无粒度分布）。费氏法(FisherMethod)——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(MassSpectrometry)主要用于测量气溶胶中微小颗粒的粒度，粒度范围一般为1~50nm。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(bulkdensity)2、粒子密度(particledensity)3、真密度(truedensity)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(Bulkdensity)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(Apparentdensity)物料质量与物料体积（含外部孔隙）之比颗粒密度(Particledensity)物料质量与物料实际体积之比真密度(Truedensity)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0.56~0.64范围内。颗粒大小不同，堆积密度增大。相同尺寸球形颗粒：ρ简单立方堆积=0.52<ρ无序堆积<ρ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V0V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：ρT=1.2847×101-3.2358×10-3

T蛋白质：ρT=1.33×103-0.518T碳水化合物：ρT=1.5991×103-0.31046T脂肪：ρT=9.2559×102-0.41757T纤维：ρT=1.3115×103-0.36589T灰分：ρT=2.4238×103-0.28063T水：ρT=9.9718×102+3.1439×10-3

T–3.7574×10-3

T2冰：ρT=9.1689×102-0.1307T温度适用范围：-40~150℃（ChoiandOkos,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密度（kg/m3）物料密度（kg/m3）鲜水果865-1067冻水果625-801鲜蔬菜801-1095冻蔬菜561-977鲜鱼967冻鱼1056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ε：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