食品的热特性

测量时，首先使样品在要求的温度下达到平衡，然后探 针插入样品，插到样品内部的探针按等速加热，监测线 热源附近的温度。一段很短的时间后，得到时间自然对 数与温度关系曲线，这曲线是线性的，导热率可由下式 给出：
Q
ln[(t 2 t 0 )/(t 1 t 0 )] 4 (T2 T1 )
探针柄是商用热电偶插头。23号皮下注射针连接到手柄上。 康铜加热器用塑料绝缘弯管绝缘装于注射针内部，并在手柄 后段引出。康铜的特点是的电阻不随温度改变。绝缘的铬镍康铜热电偶也装在塑料绝缘套管内，连接点设置在手柄和针 尖中部。使用铬镍-康铜热电偶是因为随温度改变有变化的电 压输出。铬镍合金和铜相比不易断。针头，热电偶和加热器 都由塑料管绝缘。安装的最后一步是用环氧树脂胶密封。
差示扫描热量测定
1) DSC的结构与原理 在升温或降温的过程中，物质的结构(如相态)和化学性 质发生变化及光、电、磁、热、力等物理性质也会发生相 应的变化。热分析技术就是在改变温度的条件下测量物质的物 理性质与温度的关系的一类技术。在食品科学中，人们利用这 一技术检测脂肪、水的结晶温度和融化温度以及结晶数量与融 化数量；通过蒸发吸热来检测水的性质；检测蛋白质变性和淀 粉凝胶等物理化学变化。差式扫描量热技术应用为广泛， 它是样品和参照物同时程序升温或降温，并且保持两者温度相 等的条件下，测定流入或流出样品和参照物的热量差与温度关 系的一种技术。
Q= αA（T-Tw）
Q
T Tw t 1 R A
式中 Q——对流传热速率，W； A——传热面积，m2 Δt——对流传热温度差， Δt= T-TW或Δt=tw-t，℃； T——热流体平均温度，℃； TW——与热流体接触的壁面温度，℃； t——冷流体的平均温度，℃； tW——与冷流体接触的壁面温度，℃； a——对流传热系数，W/m2· K（或W/m2· ℃）。
第五章 食品的热特性
冷藏、烹制、焙烤、巴氏灭菌、冷冻和干燥过 程都要涉及到热传递，为了更好的设计工艺和 设备，必须了解关于食品热特性的知识。
第一节 传热的基本方式
热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引起的， 根据传热机理不同，传热的基本方式有三种：
热传导(conduction);
对流(convection);
如果流体热容 Cpf，金属容器热容 Cpc 已知， 那么就可计算出样品热容。假设没有与周围发生 传递，那么样品损失的热量等于量热器和流体获 得的热量。样品的热容可以按下式计算： Cps=（McCpc+MfCpf）×（Tav-Tf）/Ms（Ts-Tav）
混合法测定比热所需设备简单、操作较方 便，能适应多种物料测定。由于量热器测 定时不可避免的热泄漏，因此对其测定结 果往往要进行误差校正。
牛顿冷却定律。
表面传热系数，当流体与壁面温度相差1度时、 每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量。 影响 α 因素：流速、流体物性、壁面形状大小
3、热辐射
因热的原因而产生的电磁波在空间的传 递。自然界中一切物体都在不停地发射辐射 能，同时又不断地吸收来自其它物体的辐射 能，并将其转化为热能。物体之间相互辐射 和吸收能量的总结果，称为辐射传热。由于 高温物体发射的能量比吸收的多，而低温物 体则相反，从而使净热量从高温物体传递向 低温物体。
温度由 T1 变为 T2时冷冻食品的焓变可由下面 公式估计： ⊿h =MCp(T2-T1)+MXwL 式中 M 为物质的质量，Cp为物质的比容，L为 水的熔化潜热，Xw为该物质中的水的质量比。当 仅有一部分水发生相变时，Xw应为实际相变的那 部分水的质量比，而不是全部水的质量比 （注：物质冷却温度低于0℃时，⊿h,T2-T1,L 值为负）。
二、导热系数 1 概述 导热率又称导热系数，反映一种物质的传热能 力的大小，单位为 W/m℃。 稳定状态的热传导可以由Fourier定律描述。
dQ dT A dt dx

在x方向的温度梯度， 为单位时间内通过物体 横截面积的热量，A为垂直于热流方向的面积
将傅立叶定律整理，得导热系数定义式 物理意义：导热系数在数值上等于单位温度梯度下 的热通量。因此，导热系数表征物体导热能力的大 小，是物质的物性常数之一。其大小取决于物质的 组成结构、状态、温度和压强等。
导热的基本定律
Fourier 定律:
t1 t n 1 t1 t n 1 Q i n bi R A i 0 i
式中：Φ——热流量，单位时间传递的热量[W] q ——热流密度，单位时间通过单位面积传递 的热量； A——垂直于导热方向的截面积[m2]； λ——导热 系数（热导率）[W/( m K)]。
热扩散系数可由 K,Cp,ρ的值算出，或由实 验获得。基于组成的热扩散系数 α的估计公式 很多。Martens提出了下面的食品原料模型： α=0.146·10-6Xw+0.100· -6Xf+0.075· 10 10 6Xp+0.082· -6Xc 10 这里：α的单位为m² ，重量X 表示水， /sec 脂肪，蛋白质，碳水化合物的质量分率： Xw,Xf,Xp,Xc 。
根据测量的方法不同，分两种类型：热流型DSC 和功率补偿型DSC 。
其主要特点是分别用独立的加热 器和传感器来测量和控制样品和 参照的温度差，对流入或流出样 品和参照的热量进行补偿使之相 等。它所测量的参数是两个加热 器输入功率之差。整个仪器由两 个控制系统进行控制。一个控制 温度，使样品和参照物在预定的 速率下升温或降温。另一个用于 补偿样品和参照物之间所产生的 温差和参照物的温度保持相同， 这样就可以从补偿的功率直接求 热流率，
辐射(radiation)。
1.热传导（又称导热）
热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低 的部分，或传递到与之接触的另一物体的过程称为 热传导，又称导热。 特点： 由于物质微观粒子的热运动而引起的热量传递， 在传热方向上无物质的宏观位移。 存在于固体、静止流体及滞流流体中。 发生热传导的条件是有温度差存在，其结果是热 量从高温部分传向低温部分。
其中，样品导热率[W/(m· ℃)]， Q：探针加热器功率（W/m） t0：时间校正因素（s） T1，T2：分别为t1和t2时探针热电偶温度（℃） t1，t2：探针加热器加热时间（s）
二、 焓
焓是物质的热容量水平或热能量水平。国 际单位制为 KJ/Kg，（也常用Cal/g 表示）。焓 包含了潜热和显热的变化，所以它对食品来说 是一个很重要的概念。焓值是相对值，通常取40℃，-18℃或0℃时物质的焓值为零。焓较多 地用在估计水蒸气、湿空气和冷冻食品热含量 的变化中。
比热与温度的关系
3、比热的测定
混合法： 将一已知质量 Ms的样品加热至温度 Ts，然后将其放入一盛放某流体的铜制 （或铝）容器内，容器质量为 Mc，流 体质量为 Mf，容器和流体的温度 均为 Tf ， 。为了防止热量散失到周围的空 间里，量热器绝热良好。用一个热电偶 或温度计监视流体和样品混合物的温 度，当温度达到 Tav 的平衡值时测出该 值。
四、热扩散(系数)性
在直角坐标系中无内热源的三维不稳定导 热微分公式：
dT k dt c p 2T 2T 2T 2 2 2 y z x
K/ρCp 的值称做热扩散系数，是物质的物 性之一,通常用符号α表示。反映不稳定导热时 物质的导热能力与物质的贮热能力之间的关系。 国际制单位为 m² 。 α 越大,说明物质的某一 /s 部分一旦获得热量,该热量能在整个物体内很快 扩散,即物体内部温度易趋于一致.
五、表面热传导系数(表面热传递系数)
dQ hA(T f Ts ) dt
可以看出h和K因次相同，在国际单位制上用 W/m2K .表面热导系数并不是食品材料或任何其 他材料的独有的特性，它是用来确定热传递到物 体表面的比率或从物体表面散失的比率。
h值取决于很多因素：流体速度，固体的表面特 性，固体的大小和形状，及流体特性（如密度和粘度）, 因此，很难列出 h 的值，最好的办法就是在给定的传热 条件下进行实验。
引入比热后，可用下面的方程计算质量为M 的食品温度从T1升至T2时所需的热量Q： Q=MCp(T2-T1) 其中Cp为恒压下的比热，它应用在几乎所有食 品加热和制冷加工上，只有带有气体的食品计算时 需要区别Cp和恒容比热Cv；M为食品质量（单位 kg）。
2 比热容估算模型
液态食品或含水率高的食品
来自百度文库
导热系数大小由实验测定，其数值随状态变化很大。
固体的导热系数
金属：35～420W/(m· ℃)，非金属：0.2～3.0W/ (m· ℃)
固体中，金属是最好的导热体。
–纯金属：t↑，λ↓ –金属： 纯度↑，λ↑
非金属：ρ，t ↑，λ↑
液体的导热系数
金属液体：其λ比一般液体高，其中纯Na最高 非金属液体：纯液体的λ比其溶液的大. (金属液体,非金属液体) t↑， λ ↓(水、甘油除外)
上式称为Fourier定律，号称导热基本定律，是一个一维稳态导热
2.热对流 流体内部质点发生相对位移而引起的热量传递过程，
特点 热对流仅发生在流体中 流体各部分间产生相对位移
食品生产中，常遇到的并非是单纯的热 对流方式，而是流体流过固体表面时发生 的热对流和热传导联合作用的传热过程， 即热由流体传递到固体表面(或反之)的过 程，通常将它称为对流传热(也称给热)。 其特点是靠近固体壁面附近的流体中依靠 热传导方式传热，而在流体主体中则主要 依靠对流方式传热。
将某种物质温度由 T1 升至 T2 所需热量为： ⊿Q=M（h2-h1） 其中： M 为物质的质量，h2为 T2 温度下的焓， h1为 T1 温度下的焓。
基本数据手册中中总结了大部分物质的焓。数 据来源不同时，必须记住对应的焓值为零的基准温 度。 如果给定的食品焓表中没有某种食品的焓值， 可以使用含水量大，组成相似的另外一种食品的数 据进行估计。
ki yi M i1/ 3 m 1/ 3 y i M i
式中：yi－组分i的摩尔分率 Mi－组分i的分子量，kg/kmol
〖说明〗
对大多数固体， λ值与温度大致成线性关系：
0 (1 t )
式中： λ －固体在温度为 t℃时的导热系数，W/(m· ℃) λ 0－固体在温度为 0℃时的导热系数，W/(m· ℃) β－温度系数。 大多数金属β<0,大多数非金 属β>0
在缺乏实验数据时，溶液的导热系数可按经验公式估算， 导热系数估算式为： 有机化合物水溶液： λ m=0.9∑aiλi a 组分的质量分率,下标 m表示混合液,i表示组分的序号 有机化合物的互溶混合液： λ m=∑ai λ i
气体的导热系数
温度的影响：t↑， λ ↑ P的影响: 一般压强范围内， λ随压强变化很小，可忽略 过高(>2×105kPa)、过低(<3kPa)时，P ↑， λ ↑ 气体的导热系数小，对导热不利，但有利于保温、绝热. 常压下气体混合物的导热系数的估算式：
2 热导率估算模型
平行模型
垂直模型
交错模型
二元体系模型
平行模型
平行模型
垂直模型
垂直模型
常用于肉、鱼等纤维状食品，
交错模型
dT k dt c p
2T 2T 2T 2 2 2 y z x
3、导热率的测定 探针测定法 导热率测定探针是一个导热性能良好的圆 筒，它可以制成半径很小象针一样的实心体或空 心厚壁圆筒，
特点： 可在真空中传播 能量传递同时伴随有能量的转换 任何物体只要在绝对零度以上，都能发射辐射 能，但是只有在物体温度较高时，热辐射才能成为主 要的传热方式。 实际进行的传热过程，往往不是上述三种基本 方式单独出现，而是两种或三种传热的组合，而又以 其中一种或两种方式为主。
第二 节 食品传热特性的主要参数 一、比热 1 概述 物质的比热Cp是单位质量的物质温度每 升高一度所需的热量。比热的单位为kJ/kg℃。