冷冻干燥技术基础知识

基础知识－热与温度
温度的测量 为了衡量物体温度高低的程度，就需要对温度进行测量，温度的测量是 利用温度计来完成的。 冻干机中常见的温度计有热电阻、热电偶和热敏电阻等。 ⑴热电阻 热电阻是利用了金属丝的电阻温度系数原理制成的。一定长度的金属丝， 当温度升高时电阻增加，温度降低时电阻下降。利用惠斯顿电桥能测知 温度的高低。热电阻一般用铂丝制作，因此又称铂热电阻。 常用Pt100铂电阻，0℃时电阻值100Ω，测量范围－200～+600 ℃，精 度A级，充许误差：±0.15+0.2%t（JB/T8622-1997等效于IEC751) ⑵热电偶 热电偶是利用不同的金属丝一端焊接在一起时，在它们的二个游离端会 随温度的变化而产生不同的电动势，测量这个电动势的大小便知道温度 的高低。 冻干机上一般用”T“型热偶温度（铜-康铜），测量范围：－200～ 300℃，精度Ⅰ级，充许误差±0.5℃或0.4％t （JB/T9238-1999等效于 IEC751）
基础知识－物态的变化
饱和蒸汽压
任何液体物质，当在一密闭容器内蒸发时，达到一定的程度后，液体 汽化与蒸汽的液化就处于平衡状态。这时密闭容器内的蒸汽称为饱和蒸 气；密闭容器内的蒸汽压强称为饱和蒸汽压。 饱和蒸汽压随温度的升高而增大，随温度的降低而减小。对于同一蒸汽， 在不同的温度有不同的饱和蒸汽压。如果饱和蒸汽继续得到热量，则温 度将比饱和时的温度高，但压力仍保持原饱和温度时相应压力值，这样 的蒸汽称超热蒸汽。 如果在某一密闭系统内，有一个蒸汽源，而该系统内各部份有不同的温 度差时，则该密闭系统的饱和蒸汽压由最低的温度所决定，即最低温度 所对应的饱和蒸汽压。
基础知识－物态的变化
冷凝与凝化 在温度和压力都要小于气体临界值的条件下，将蒸汽冷却或与压缩同时 进行时，使蒸汽转变为液体的过程叫做液化。单位重量的蒸汽变成同温 度的液体所移去的热量称为冷凝热。冷凝时的温度叫做冷凝温度，冷凝 温度在冷凝过程中保持不变。它与冷凝蒸汽的压力有关。
当蒸汽遇到比该蒸汽物质的凝固温度低的物体时，则蒸汽不经过液体能 直接凝固成固体而附在低温物体的表面，叫做凝华。例如水蒸汽遇到比 水的冰点低的物体时，它就在低温物体的表面结成冰霜，它实际上是升 华的逆过程，这一过程显然是要放出热量的。这一现象在制冷和冻干中 是经常遇到的。
⒉溶液 一种或多种物质均匀地混合在另一种物质中所组成的混合液。溶液一般由溶
剂和溶质组成。含量多的叫溶剂，含量少的叫溶质。以水为溶剂的混合 物叫水溶液。
基础知识－水和溶液的特性
溶液的冻结过程和共晶温度 ⑴区为溶液完全以液态存在的条件。 ⑵区因溶液的溶解度太小，部分液态及有部份溶剂因溶质之不足而形成固态
基础知识－水和溶液的特性
水的特性及相态图 OC线表示水的蒸汽压曲线，蒸汽压随温度增加而上升；OC线是水、汽共存线 OA线冰的熔点与压力的关系；OA线是冰、水共存线 OB线表示冰的蒸汽压曲线，冰的蒸汽压随温度的增加而上升；OB线是冰、汽共 存线 O点是冰、水、汽三态平衡点，在
这个温度和压力时，冰、水、汽可以 同时共存，它的温度为0.01℃和压力 为610Pa
从图可以看出，当压力低于610Pa 时，不管温度如何变化，水的液态不能 存在，这时只有固态和气态二种形态。
水蒸汽的临界温度为374℃，临界 压力是。温度降低时水蒸汽 很容易液化。
在不同的温度水和冰均有不同的 蒸汽压。温度降低时，冰和水的蒸汽 压也随之降低。
基础知识－水和溶液的特性
水或水蒸汽饱和温度与 饱和蒸汽压对应数据
千卡又叫大卡，1大卡（kcal）=1000卡（cal）。 ⑶卡（cal）的单位规定 把1g水的温度升高或降低1℃所吸收或放出的热量规定为1卡（cal）。 ⑷比热 质量相同的不同物质温度升高1℃时所需要的热量是不相同的，我们把单位质量的某
种物质温度升高或降低1℃时所吸收或放出的热量，叫做这种物质的比热。 单位是卡/克·度（cal/g·℃）、（千卡/公斤·℃ ）kcal/kg ·℃ ⑸热量数学表达式：Q=C·m（t2－t1） 千卡（kcal）
基础知识－物态的变化
蒸发、沸腾、升华 物质由液态变成气态或固态直接变成气态的过程都称为汽化过程，它可分为蒸发、 沸腾和升华三种情况。 ⑴蒸发 在任何温度下（只要低于临界温度如水为374℃）液体表面的汽化过程。在制冷 技术中，“蒸发”通常代表液体的沸腾过程。 ⑵沸腾 将液体加热到一定的温度，液体逐渐变成蒸气；当蒸汽的形成不仅来自液体表面， 而且来自液体内部，且形成许多小汽泡上升至液面上方空间时，这一现象称为沸 腾。也就是温度升高到液体的蒸汽压力与周围的空间压力相等时，液体即开始沸 腾。液体开始沸腾时的温度叫做沸点。沸腾也是同时发生在液体内部和表面的汽 化现象。 ⑶升华 某些固体不经过液态而直接变成气态的汽化现象叫做升华。升华是固体的直接汽 化过程，容易升华的固体叫挥发性固体。物质在汽化时要吸收热量，单位质量的 液体变成同温度的汽体所吸收的热量叫做汽化热，因为也是蒸发时所吸收的热量， 所以也可叫做蒸发热。熔化热和汽化热都叫做物体的潜热。
基础知识－物态的变化
临界温度与临界压力
气体和蒸汽都是物质的气态状态，物质的临界温度可以作为判断气态 物质是气体还是蒸汽的标准。当温度高于该物质的临界温度时，该物质 的气态称为气态；当温度低于该物质的临界温度时，该物质的气态称为 蒸汽。 气体的液化温度是与压力有关的。气体的压力越小时，则其液化温度越 低；随着压力的增加，气体的液化温度也升高。对于某一种物质的气体， 有一个固定的温度值。超出这个温度时，物质只能处于气态，无论加多 大的压力也不能使其压缩成液体，这个温度就称为该物质气体的临界温 度。在临界温度时使该气体液化所需要的最小压力，称为该物质气体的 临界压力。 水蒸汽的临界温度为374℃，临界压力是。温度降低时水蒸汽很容易液 化。 在不同的温度水和冰均有不同的蒸汽压。温度降低时，冰和水的蒸汽压 也随之降低。
由此状态下的溶液称为共晶溶液。
基础知识－水和溶液的特性
图中 A：溶剂，B：溶质 Ta/Te，Te/T饱和溶解度线
基础知识－水和溶液的特性
水的特性及相态图 水的分子由二个氢原子和一个氧原子组成，化学符号为H2O。
分子量为18。水的密度在+4℃时最大，为1g/cm3，温度升高或降低时均减少。 冰的密度为0.92 g/cm3，所以冰比水轻，并且结冰时发生体积膨胀现象。 在1atm下水的冰点是0℃。压力增加时冰点反而下降。压力为130atm时， 冰下降1 ℃。压力降低时，熔点上升。 当水的蒸汽压等于外界压力时，它就沸腾。在1atm下水的沸点为100℃， 当压力减小时沸点会降低；压力增加时沸点会升高。
基础知识－物态的变化
⑴熔化 固态吸收热量变成液态的过程，此时温度叫熔点。
⑵熔化热 单位质量的物质，由固体变为同温度的液体所需要吸收的热量。单位：
kcal/kg
⑶凝固 由液体放出热量变为固体的过程。凝固是熔化的逆过程。放出的热量与该物
质的熔化热相等。凝固是在与熔化相同的温度下进行的，所以同一物质 的熔点和凝固点是一样的。
用符号°K表示，开氏温标也叫绝对温标；开氏零度即零下273.15℃，也 叫做绝对零度。绝对零度是达不到的。 开氏温度：°Ｋ＝℃＋
基础知识－热与温度
热量及单位 ⑴温度
只能表示物体冷或热的程度。温度高或温度低，不能从数量上来表示物体热能的多少。 ⑵热量 物体吸收或放出热能的多少叫做热量。计算热量的单位是卡（cal）或千卡（kcal），
基础知识－冻干产品的崩解温度
升华界面的概念： 一个正常升华的产品，当升华进行到一定的时候，就会出现上层的干燥层
和下层的冻结层，这二层之间的交界面就是升华界面。升华界面是随着 升华的进行而不断下降的。
基础知识－冻干产品的崩解温度
产品崩解温度：
某些已经干燥的产品当温度升高到某一数值时，会失去刚性，变得有粘 性，发生类似塌陷的崩解现象，使干燥产品失去疏松多孔的状态，封闭 了下层冻结产品水蒸汽的逸出通路，妨碍了升华的继续进行。发生崩解 时的温度叫做该产品的崩解温度 。
基础知识－水和溶液的特性
制品中的水分 ⑴游离水(自由水) 系附着于物料中，用离心、过滤法或一般干燥温度即可容易除去的水份，游
离水可被微生物利用，是造成干燥物料腐败的因素之一。
⑵结合水 在物料中以氢键结合在物料的成分如蛋白质或碳水化合物上的水分，因其与
物料紧密结合，所以很难以一般方法和操作加以分离，亦不被微生物利 用。
1kcal（千卡）=3.6×10＋6 J(焦耳)=3.6×10＋3 KJ(千焦)
基础知识－热与温度
热量的传递方式 ⑴传导 在受热不均匀的物体中，热从高温处依靠物体的分子逐渐传到低温处的现象，称为热
的传导。这种方式的热交换一直进行到整个物体的温度相等为止。 传导在固体、液体和气体之间均能发生，传导作用必须要使物体相互接触才能完成。 ⑵对流 在液体或气体包括蒸汽中，热量靠物质的流动从一部分向另一部分转移的传递方式称
的状态，故为一液、固态混合物。 ⑶区因溶液的溶解度太大，部份液态及部份过量溶质析出为固态的状态，故
亦为一液、固态混合物。 ⑷区因溶液的温度太低，且低于溶液能以液态形成的温度，故完全凝固为固
态，为部份溶剂与溶液的固态混合物。 ⑸区因溶液的温度太低，且低于溶液能以液态形成的温度，故完全凝固为固
态，为部份溶质与溶液的固态混合物。 这五区的共同交会点即溶液所能达到的最低冻结温度，故此点称为共晶温度，
基础知识－热与温度
热力学定律 ⑴热力学第一定律 在任何发生能量转换的热力过程中，转换前后能量的总量维持恒定。热力学
第一定律就量能量守定律，即能量既不能消灭也不能创生。只能以一种 形式的能量转换成另一种形式的能量。 ⑵热力学第二定律 热量只能从高温物体传到低温物体，不可能把热从低温物体传至高温物体而 不引起其它变化。制冷装置就是根据热力学第二定律，消耗一定的机械 能，使热量从低温传到高温。 ⑶热力学第三定律 不可能用任何方法使一个物体冷却到绝对温度的零度。此定律指出了绝对温 度是达不到的。
基础知识－热与温度
温标
⑴摄氏温标 在标准大气压下，以水的冰点为0℃。水的沸点为100℃。在0～100之间分成
100等分，每一等分叫1℃。这种温标就叫做摄氏温标，用符号℃表示。 ⑵华氏温标 在标准大气压下，以水的冰点为32。水的沸点为212，在32～212之间分成
180等分，每一等分叫1°F。这种温标就叫做华氏温标，用符号°F表示。 华氏和摄氏可用下面的公式进行换： 华氏换摄氏：℃=5/9×（°F－32） 摄氏换华氏：°F=９／５℃＋32 ⑶开氏温标 以摄氏零下℃作为零度，也就是开氏零度等于摄氏零下273.15℃。开氏温标
基础知识－共晶点测量方法
将一对白金电极浸入液体产品之中， 并在产品中插一支温度计，把它们 冷却到－40℃以下的低温，然后将 冻结产品慢慢升温。用惠斯顿电桥 来测量其电阻，当发生电阻突然降 低时，这时的温度即为产品的共熔 点。电桥要用交流电供电，因为直 流电会发生电解作用，整个过程由 仪表记录。
完全冻结的溶液或制品，当温 度升高至某一点时，开始出现冰晶 熔化，该温度称为共熔点温度或共 熔点。共熔点温度并不等于共晶点 温度。对升华来说，制品温度必须
冷冻干燥技术基础知识
基础知识－物态的变化
⒈物质三态 一般物质存在三种形态：气态、液态和固态。 即使同一种物质也有三种形态。 例如水H2O，在0℃时能结成冰变成固态。而在100℃时则变成蒸气而成气态。 在0～100℃之间则是液态。 可见在一定的条件下，物质的形态能化时的热量变化 以水H2O为例说明
为对流。含热的液体或气体，体积因热而膨胀，密度减少，于是因重量减轻而上 升，其周围冷的部份就被补充其原来地位，形成了对流。 热的对流只发生在液体或气体中，而且必与传导同时发生。 ⑶辐射 高温热源通过空间射向低温物体，使低温物体受热升温，这种热量的传递方式叫做辐 射。热辐射与光相似，它以直线方式进行，可以在真空中传播；辐射可以通过空 气和玻璃等透明介质，而这些透明介质本身吸热极少。表面黑、粗糙的物体善于 吸收热；表面白亮光滑的物体不善于吸收热和辐射热，但善于反射热。 热量传递的三种方式并非单独进行，而是一种方式伴随着另一种方式同时进行，或者 是三种方式同时进行的。