食品的热特性

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

热传导(conduction);对流(convection);辐射(radiation)。

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。1.热传导（又称导热）

Fourier定律:

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/(mK)]。上式称为Fourier定律，号称导热基本定律，是一个一维稳态导热导热的基本定律

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。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·℃）。

牛顿冷却定律。Q=αA（T-Tw）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。

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℃。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。

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。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。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，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。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)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∑aiλia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=∑aiλ

i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：

式中：yi－组分i的摩尔分率

Mi－组分i的分子量，kg/kmol气体的导热系数〖说明〗对大多数固体，λ值与温度大致成线性关系：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>02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垂直模型平行模型垂直模型常用于肉、鱼等纤维状食品，

交错模型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，3、导热率的测定

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。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：

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。

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。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）。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