1、Physical Properties of Agricultural Materials 农业物料物理特性 杨德勇 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
2、， 2003 食品物性学 ，李里特，中国农业出版社， 1998 Physical Properties of Plant and Animal Materials, Mohsenin N.N. Gordon and Breach Science Publishers, Inc., New York, 1970 Thermal Properties of Foods and Agricultural Materials, Mohsenin N.N. Gordon and Breach Science Publishers, Inc., New York, 1980 Physical Proper
3、ties of Food and Agricultural Materials(A Teaching Manual), Mohsenin N.N. Gordon and Breach Science Publishers, Inc., New York, 1981 Electromagnetic Radiation Properties of Foods and Animal Materials, Mohsenin N.N. Gordon and Breach Science Publishers, Inc., New York, 1984 Physical Properties of Foo
4、ds and Food Processing System, Lewis M.J., Ellis Horwood Ltd., Chichester(England), 1987 Engineering Properties of Foods, Rao M.A., Rizvi S.S.H., Marcel Dekker, Inc., New York, 1986 Thermal Processing of Bio-Materials, Tadeusz Kudra and Czeslaw Strumillo, Gordon and Breach Science Publishers, 1998 P
5、hysical Properties of Foods, Peleg M., Bagley E.B., AVI Publishing Company, Inc., Westport, Connecticut, 1981 Storage of cereal grains and their products (Fourth Edition), D. B. Sauer (Ed.), AOAC, St. Paul, MN., 1992 Food Physics: Physical Properties Measurement and Applications, Ludger O. Figura an
6、d Arthur A.Teixeira, Springer, 2007 Physical Properties of Foods, Serpil Sahin and Servet Gulum Sumnu, Springer, 2006 Fundamentals of Food Process Engineering (Third Edition), Romeo T. Toledo, Springer, 2007 Viscosity of Liquids: Theory, Estimation, Experiment, and Data, DABIR S. VISWANATH, Springer
7、, 2007 Heat Convection, Latif M. Jiji, Springer, 2006 Heat and Mass Transfer, Hans Dieter Baehr Karl Stephan, Springer, 2006 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、
8、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、
9、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 要 农 产 品 第一节 形状和尺寸 一
10、、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 Description Round（圆形） - approaching spheroid Oblate（扁圆形） - flattened at the stem end and apex Oblong （长圆形） - vertical diameter greater than the h
11、orizontal diameter Conic（圆锥形） - tapered toward the apex Ovate（卵形） - egg-shaped and broad at the stem end Oblique (lopsided)（歪斜形） - axis connecting stem and apex slanted Obovate（倒卵形） - inverted ovate Elliptical（椭圆形） - approaching ellipsoid Truncate（平头形） - having both ends squared or flattened Unequal
12、（不对称） - one-half larger than the other Ribbed（肋形） - in cross section, sides are more or less angular Regular（规则） - horizontal section approaches a circle Irregular（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 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
13、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 )(34 2abV )(34 2 baV )(3 222121 rrrrhV 334 rV eeabbS 12 s in22 eeeebaS 11l o g2222 212221 )()( rrhrrS 24 rS 21 abe1、圆度 (roundness)： 表示物体角棱的
14、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 (shape factor)： 表示物体实际形状与球体的接近程度。 RrR r /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 圆度比 (roundness ratio) 1、圆度 (roundness) cpd AAR /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 NRrrrrNRrR nd 321r 物体各棱角处的曲率
15、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 cep ddS /cip ddS /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 adaa b cS ep /)( 3/1 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 K/21.13321 AAAAc3203231169 VKVAc 21.1169 310 形状系数 凸状物料 36132SVcA
16、S 4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 and Fenchel, 1948 Polya and Szega, 1951 三轴投影 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
17、： 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 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)(3 acb
18、cababc 定向面积等分径 dm外接矩形等值径 2/1)( ab 斯托克斯径 2/118lstv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 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
19、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 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 )/(6 sds 由 比 表 面积 S 计算 的 粒 径 中 径 d5 0粒 径 分 布 的 累 积 值 为 5 0 % 时 的 粒 径 多 数 径 dm od粒 径 分 布 中 频率
20、最 高 的 粒 径 d 3 d 2 d 1 d 7 d 8 d 4 d 5 d 6 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 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 筛分法 ndm ss 36 3 6 nmdss 1、
21、粗颗粒平均粒径 2、细粉平均粒径（筛分法） mi iisdxd11miiis dxd1)(调和平均径 算术平均径 泰勒标准筛：基本序列，筛比为 ，基筛为 200目， 0.074mm 附加系列，筛比为 =1.189 4 22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
22、径 d (mm) 目数 m 筛孔尺寸 a (mm) 网丝直径 d (mm) 32 0.495 0.300 115 0.124 0.097 35 0.417 0.310 150 0.104 0.066 42 0.351 0.254 170 0.089 0.061 48 0.295 0.234 200 0.074 0.053 60 0.246 0.178 250 0.061 0.041 65 0.208 0.183 270 0.053 0.041 80 0.175 0.142 325 0.043 0.036 100 0.147 0.107 400 0.038 0.025 国内常用标准筛 目数 m
23、筛孔尺寸 a (mm) 目数 m 筛孔尺寸 a (mm) 目数 m 筛孔尺寸 a (mm) 8 2.50 45 0.400 130 0.112 10 2.00 50 0.355 150 0.100 12 1.60 55 0.315 160 0.090 16 1.25 60 0.280 190 0.080 18 1.00 65 0.250 200 0.071 20 0.90 70 0.224 240 0.063 24 0.80 75 0.200 260 0.056 26 0.70 80 0.180 300 0.050 28 0.63 90 0.160 320 0.045 32 0.56 100 0.154 360 0.040 35 0.50 110 0.140 40 0.45 120 0.150 泰勒标准筛 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 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
