农业物料学第一、二章20141111

1、Physical Properties of Agricultural Materials农业物料物理特性农业物料物理特性杨德勇杨德勇课程考核课程考核 课程讲授课程讲授： 课堂讲授+部分实验 课程要求课程要求： 基本理论及应用、测试原理与方法 课程考核课程考核： 平时成绩（30%） 作业成绩（70%） 联系方式：联系方式： 公用邮箱： 密码：nywlwltx 个人邮箱：参考书目参考书目：v 农业物料学，周祖锷主编，农业出版社，1995v 农业物料学，赵学笃等，机械工业出版社，1985v 农业流变学导论，李翰如，潘君拯，农业出版社，1990v 粘性流体力学，章梓雄等，清华大学出版社，1999v

2、非粘性流体力学 ，董曾南等，清华大学出版社，2003v 食品物性学，李里特，中国农业出版社，1998v Physical Properties of Plant and Animal Materials, Mohsenin N.N. Gordon and Breach Science Publishers, Inc., New York, 1970v Thermal Properties of Foods and Agricultural Materials, Mohsenin N.N. Gordon and Breach Science Publishers, Inc., New York,

3、 1980v Physical Properties of Food and Agricultural Materials(A Teaching Manual), Mohsenin N.N. Gordon and Breach Science Publishers, Inc., New York, 1981v Electromagnetic Radiation Properties of Foods and Animal Materials, Mohsenin N.N. Gordon and Breach Science Publishers, Inc., New York, 1984v Ph

4、ysical Properties of Foods and Food Processing System, Lewis M.J., Ellis Horwood Ltd., Chichester(England), 1987v Engineering Properties of Foods, Rao M.A., Rizvi S.S.H., Marcel Dekker, Inc., New York, 1986v Thermal Processing of Bio-Materials, Tadeusz Kudra and Czeslaw Strumillo, Gordon and Breach

5、Science Publishers, 1998v Physical Properties of Foods, Peleg M., Bagley E.B., AVI Publishing Company, Inc., Westport, Connecticut, 1981 v Storage of cereal grains and their products (Fourth Edition), D. B. Sauer (Ed.), AOAC, St. Paul, MN., 1992v Food Physics: Physical Properties Measurement and App

6、lications, Ludger O. Figura and Arthur A.Teixeira, Springer, 2007v Physical Properties of Foods, Serpil Sahin and Servet Gulum Sumnu, Springer, 2006 v Fundamentals of Food Process Engineering (Third Edition), Romeo T. Toledo, Springer, 2007 v Viscosity of Liquids: Theory, Estimation, Experiment, and

7、 Data, DABIR S. VISWANATH, Springer, 2007v Heat Convection, Latif M. Jiji, Springer, 2006v Heat and Mass Transfer, Hans Dieter Baehr Karl Stephan, Springer, 2006v Electronic 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

8、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

9、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 水分和水活度主主要要农农产产品品第一

10、节第一节 形状和尺寸形状和尺寸一、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 h

11、orizontal 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） -

12、 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图形比较法特点：直观、简单，但主观性强，个体差异较大特点：直观、简单，但主观性强，个体差异较大二、类

13、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形状体积体积表面积表面积备注备注长球体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)(342abV)(342baV)(3222121rrrrhV334rVeeabbS12sin22eeeebaS11log2222212221)()(rrhrrS24 rS21abe1、圆度、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

14、状与圆形之间的差异。三、形状指数2、球度、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、形状系数(shape factor)：表示物体实际形状与球体的接近程度。RrRr/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、圆度圆度比圆度比(roundness ratio)1、圆度、圆度(roundness)cpdAAR/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NRrrrrNRrRnd321r 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、球

15、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cepddS/cipddS/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adaabcSep/)(3/1a, b, c三维轴向尺寸（长度、宽度、厚度）3、形状系数、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K/21. 13321AAAAc3203231169VKVAc21. 1169310K形状系数凸状物料36132SVcAS4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

16、and Fenchel, 1948Polya and Szega, 1951三轴投影三轴投影物体平均投影面积与体积关系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。小麦蚕豆青豆燕麦扁豆棉籽菜豆豌豆玉米大豆荞麦五、粒径粒径粒径：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 粒径分布 平均粒径粒径的测试：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

17、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长轴径 a 圆等值径 2/1)/4(f 短轴径 b 几何平均径 2/1)(abc 二轴算术平均径 ）ba(21 圆柱体等值径 2/1)( fa 三轴算术平均径 )(31cba 立方体等值径 3/1V 调和平均径 11113cba 球等值径 3/1)/6(V 表面积平均径 2/1)222(61acbcab 定向径 dg 体积平均径 1)(3acbcababc 定向面积等分径 dm 外接矩形等值径 2/1)(ab 斯托克斯径 2/11

18、8lstv 正方形等值径 2/1f 注：f-投影面积，V-粒子体积，-流体粘性系数，vt-粒子沉降速度，s-粒子密度，l-流体密度 粒径定义、测量原理及仪器粒径定义、测量原理及仪器Feret径径Martin径径平均粒径名 称 计 算 公 式 物 理 意 义 算术平均径 nndd/1 单一粒径的算术平均径 几何平均径 nndddd/1212)( n 个粒径的 n 次方根 调和平均径 )/(/3dnnd 各粒径的调和平均值 面积长度平均径 ndndd/24 表面积总和除以直径的总和 体面积平均径 235/ndndd 全部粒子的体积除以总表面积 重量平均径 346/ndndd 重量等于总重量， 数目

19、等于总总个数的等粒子粒径 平均表面积径 2/127/nndd 将总表面积除以总个数，取其平方根 平均体积径 3/138/nndd 将总体积除以总个数，取其立方根 比表面积径 )/(6sds 由比表面积 S 计算的粒径 中 径 d50 粒径分布的累积值为 50%时的粒径 多数径 dmod 粒径分布中频率最高的粒径 d3 d2 d1 d7 d8 d4 d5 d6 Sauter平均径平均径投影径投影径 定方向径（定方向径（Feret径）径） 定方向等分径（定方向等分径（Martin径）径） 定方向最大径（割线径，定方向最大径（割线径，Krumbein径）径） 投影面积相当径（投影面积相当径（Heyw

20、ood径）径） 投影周长相当径投影周长相当径几何学粒径几何学粒径 单一径单一径 算术平均径、几何平均径算术平均径、几何平均径 调和平均径调和平均径 面积平均径、体积平均径面积平均径、体积平均径当量径当量径 等表面积（比表面积）当量径等表面积（比表面积）当量径 等体积当量径等体积当量径 斯托克斯径（斯托克斯径（Stokes径）径） 光散射（衍射）当量径光散射（衍射）当量径筛分径筛分径五、粒径p粒径（particle diameter）：描述单一颗粒的线性尺寸p粒度（particle size）：描述颗粒的平均粒径p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单粒径体系

21、：颗粒具有相同或近似相同的粒径多颗粒体系：颗粒群由大小不一的颗粒组成 频率分布 累积分布p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 粒度分布非连续表格法、直方图法、函数表示法累积分布曲线、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粒径的测定方法 筛分法筛分法ndmss3636nmdss1、粗颗粒平均粒径2、细粉平均粒径（筛分法）miiisdxd11miiisdxd1)(调和平均径算术平均径泰勒标准筛：基本序

22、列，筛比为 ，基筛为200目，0.074mm（Tyler）附加系列，筛比为 =1.189422粒径与目数的换算：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）。 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)320.4950.3001150.1240.097350.4170.3101500.1040.0

23、66420.3510.2541700.0890.061480.2950.2342000.0740.053600.2460.1782500.0610.041650.2080.1832700.0530.041800.1750.1423250.0430.0361000.1470.1074000.0380.025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)82.50450.4001300.112102.00500.3551500.100121.60550.3151600.090161.25600.2801900.080181.00650.2502000.071

24、200.90700.2242400.063240.80750.2002600.056260.70800.1803000.050280.63900.1603200.045320.561000.1543600.040350.501100.140400.451200.150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。图像分析法图像分析法 优点：可直接观察颗粒形状及是否团聚

25、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

26、非球形粒子的误差大，不适合于混合物料。电超声法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）射法光散（衍）射法当d(d1/10)时，属于Rayleigh散射范围，光均匀地向各个方向散射当d，但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

27、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

28、 结果进行比较，仅用来控制工艺过程和产品质量。质谱法质谱法(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。电感应法电感应法(Coulter法法)：电压脉冲与颗粒体积成正比渗透法、气体吸附法渗透法、气体吸附法其他颗粒粒度测量方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

29、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282BDBDACR 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 ACBD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。2HR HLH