Лабораторное занятие № 6

Тема: Определение теплофизических свойств потребительских товаров. Температура, температурные шкалы. Температуропроводность, теплопроводность и теплоемкость.

Цель: Ознакомиться понятиями температура, температурные шкалы и средствами их определения: термометрами, термосопротивлениями, термопарами. Изучить способы определения теплофизических свойств продуктов (теплоемкость¸ температуропроводность, теплопроводность).

Температу́ ра (от лат. temperatura — надлежащее смешение, нормальное состояние) — скалярная физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. Температура всех частей системы, находящейся в равновесии, одинакова. Если система не находится в равновесии, то между её частями, имеющими различную температуру, происходит теплопередача (переход энергии от более нагретых частей системы к менее нагретым), приводящая к выравниванию температур в системе.

Интуитивно понятие температура появилось как мера градации наших ощущений тепла и холода; на бытовом уровне температура воспринимается как параметр, служащий для количественного описания степени нагретости материального объекта].

В Международной системе единиц (СИ) термодинамическая температура используется в качестве одной из семи основных физических величин, входящих в Международную систему величин (англ. International System of Quantities, ISQ), а её единицей является кельвин, представляющий собой, соответственно, одну из семи основных единиц СИ. Кроме термодинамической температуры в СИ используется температура Цельсия, её единицей является градус Цельсия, входящий в состав производных единиц СИ, имеющих специальные наименования и обозначения, и по размеру равный кельвину. На практике часто применяют градусы Цельсия из-за исторической привязки к важным характеристикам воды — температуре таяния льда (0 °C) и температуре кипения (100 °C). Это удобно, так как большинство климатических процессов, процессов в живой природе и т. д. связаны с этим диапазоном. Изменение температуры на один градус Цельсия тождественно изменению температуры на один кельвин. Поэтому после введения в 1967 г. нового определения кельвина, температура кипения воды перестала играть роль неизменной реперной точки и, как показывают точные измерения, она уже не равна 100 °C, а близка к 99, 975 °C[2].

Температурные шкалы. Т емпература не является непосредственно измеряемой величиной; её значение определяют по температурному изменению какого-либо удобного для измерения физического свойства термометрического вещества (см. Термометрия). Выбрав термометрическое вещество и свойство, необходимо задать начальную точку отсчёта и размер единицы температуры — градуса. Таким образом определяют эмпирические Т. ш. В Т. ш. обычно фиксируют две основные температуры, соответствующие точкам фазовых равновесий однокомпонентных систем (так называемые реперные или постоянные точки), расстояние между которыми называется основным температурным интервалом шкалы. В качестве реперных точек используют: тройную точку воды, точки кипения воды, водорода и кислорода, точки затвердевания серебра, золота и др. Размер единичного интервала (единицы температуры) устанавливают как определённую долю основного интервала. За начало отсчёта Т. ш. принимают одну из реперных точек. Так можно определить эмпирическую (условную) Т. ш. по любому термометрическому свойству х. Если принять, что связь между х и температурой t линейна, то температура tx= n (xt - х0) / (xn - x0), где xt, x0 и xn — числовые значения свойства х при температуре t в начальной и конечной точках основного интервала, (xn - x0) / n — размер градуса, п — число делений основного интервала.

В Цельсия шкале (См. Цельсия шкала), например, за начало отсчёта принята температура затвердевания воды (таяния льда), основной интервал между точками затвердевания и кипения воды разделён на 100 равных частей (n = 100).

Температурная шкала.(Т.ш.) представляет собой, таким образом, систему последовательных значений температуры, связанных линейно со значениями измеряемой физической величины (эта величина должна быть однозначной и монотонной функцией температуры). В общем случае Т. ш. могут различаться по термометричкому свойству (им может быть тепловое расширение тел, изменение электрического сопротивления проводников с температурой и т. п.), по термометрическому веществу (газ, жидкость, твёрдое тело), а также зависеть от реперных точек. В простейшем случае Т. ш. различаются числовыми значениями, принятыми для одинаковых реперных точек. Так, в шкалах Цельсия (°С), Реомюра (°R) и Фаренгейта (°F) точкам таяния льда и кипения воды при нормальном давлении приписаны разные значения температуры. Соотношение для пересчёта температуры из одной шкалы в другую: n °C = 0, 8n°R = (1, 8n+32) °F.

Абсолютной эмпирической Т. ш. называют шкалу, абсолютный нуль которой соответствует температуре, при которой численное значение физического свойства х = 0 (например, в газовой Т. ш. Авогадро абсолютный нуль температуры соответствует нулевому давлению идеального газа). температуры t (x) (по эмпирической Т. ш.) и Т (Х) (по абсолютной эмпирической Т. ш.) связаны соотношением T (X)=t (x)+T0(x), где T0(x — абсолютный нуль эмпирической Т. ш. Вначале основной интервал этой шкалы был задан точками таяния льда и кипения воды при атмосферном давлении, единица абсолютной температуры соответствовала Генеральные конференции по мерам и весам) установила термодинамическую Т. ш. с одной реперной точкой — тройной точкой воды, температура которой принята 273, 16 К (точно), что соответствует 0, 01 °С. температура Т в абсолютной термодинамической Т. ш. измеряется в Кельвинах (К). Термодинамическая Т. ш., в которой для точки таяния льда принята температура t = 0 °С, называется стоградусной. Соотношения между температурами, выраженными в шкале Цельсия и абсолютной термодинамической Т. ш.:

TK = t °C + 273, 15K, nK = n °C,

так что размер единиц в этих шкалах одинаков. В США и некоторых др. странах, где принято измерять температуру по шкале Фаренгейта, применяют также абсолютную Т. ш. Ранкина. Соотношение между кельвином и градусом Ранкина: nK = 1, 8n °Ra, по шкале Ранкина точка таяния льда соответствует 491, 67 °Ra, точка кипения воды 671, 67 °Ra.

Наиболее важным теплофизическим свойствам пищевых продуктов относят удельную теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность, удельную энтальпию, криоскопическую температуру, плотность, равновесное давление пара.

Удельной теплоемкостью называется величина, численно равная количеству теплоты, необходимому для нагревания или охлаждения 1 кг вещества на 1°С.

Изменение удельной теплоемкости продуктов в интервале температур замораживания определяется в основном начальным влагосодержанием продукта и количеством вымороженной воды. Теплоемкость убывает с понижением температуры, стремясь к нулю при абсолютном нуле температуры (третий закон термодинамики).

Теплопроводность — один из видов теплопередачи, при котором перенос теплоты имеет атомно-молекулярный характер. Явления теплопроводности возникают при разности температур между отдельными участками тела (продукта). Коэффициент теплопроводности численно равен количеству теплоты, переносимому через единицу площади поверхности в единицу времени при градиенте температуры, равном единице.

При положительных температурах температуропроводность продукта практически неизменна, но с началом льдообразования она резко уменьшается. Это вызвано выделением теплоты кристаллизации. При дальнейшем понижении температуры вследствие роста теплопроводности и уменьшения теплоемкости температуропроводность увеличивается и достигает постоянного значения, когда вода полностью переходит в лед.

Энтальпия — однозначная функция состояния термодинамической системы, часто называемая тепловой функцией или теплосодержанием, измеряется в Дж/кг. Данными об изменении энтальпии продовольственных продуктов в холодильной технологии пользуются обычно для определения отведенной или подведенной теплоты при холодильной обработке продуктов. Энтальпию отсчитывают при какой-либо начальной температуре (обычно − 20°С), при которой ее значение принимается за 0.

Криоскопической температурой называют температуру начала замерзания жидкой фазы продуктов. Тканевый сок продовольственных продуктов представляет собой диссоциированный коллоидный раствор сложного состава, которому соответствует криоскопическая температура − 0, 5 + − 5°С.

Плотностью называется отношение массы продукта к его объему. При замораживании плотность продукта уменьшается (на 5-8%), поскольку вода в тканях, превратившись в лед, увеличивается в объеме при неизменной массе. Плотность большинства скоропортящихся продуктов составляет около 1000 кг/м3.

Способе определения теплофизических характеристик дисперсных пищевых материалов о С этого путем засыпки дисперсного пищевого материала в емкость, формируют образец насыпного слоя, далее измеряют температуру окружающей среды, измеряют температуру на верхней и нижней поверхностях образца насыпного слоя, определяют температурное поле внутри образца насыпного слоя перед нагревом, поддерживают температуру среды вокруг образца на постоянном уровне, выдерживают образец до достижения им однородного распределения температуры по всему объему, осуществляют нагрев нижней поверхности образца насыпного слоя, измеряют перепад температуры между верхней и нижней поверхностями насыпного слоя, определяют число Фурье(теплового критерия гомохронности), регулируют скорость нагрева образца насыпного слоя до получения стационарного режима, устанавливают коэффициенты температуропроводности, теплопроводности и объемной теплоемкости.

Подготовка дисперсных пищевых материалов, например зерна, крупы, муки, заключается в необходимости удаления сорных примесей и включений, а также для определения равновесной влажности. Формирование образца насыпного слоя путем засыпки дисперсного пищевого материала в емкость определенной геометрической формы. Поддержание температуры среды вокруг образца на постоянном уровне и выдерживание образца до достижения им однородного распределения температуры позволяют устранить инерционность нагрева и влияние начальных условий на точность определяемых характеристик.

Способ определения. Подготавливают дисперсный пищевой материал, удаляя из него сорные примеси и включения, после чего взвешивают на электронных аналитических весах и определяют массу. Формируют образец насыпного слоя путем засыпки дисперсного пищевого материала в емкость. Температуру окружающей среды измеряют с помощью термопары. Также измеряют температуру на верхней и нижней поверхностях образца насыпного слоя с помощью неконтактного инфракрасного термометра. Определяют температурное поле внутри образца насыпного слоя перед нагревом с помощью термопар. Поддерживают температуру среды вокруг образца насыпного слоя на постоянном уровне и выдерживают образец до достижения им однородного распределения температуры по всему объему, поместив емкость с образцом в термостат. Нагревают нижнюю поверхность образца насыпного слоя, измеряют перепад температуры между верхней и нижней поверхностями образца насыпного слоя в точках по указанной выше схеме. По известной формуле определяют число Фурье, устанавливают взаимосвязь между скоростью изменения температурного поля, физическими свойствами и геометрическими размерами образца насыпного слоя. Определение ряда Фурье говорят, что функция f (x) имеет период P, если f (x + P) = f (x) для всех значений x. Пусть период функции f (x) равен 2π. Регулируют скорость нагрева образца насыпного слоя до получения стационарного режима. Стационарный режим наступает, когда число Фурье F0≥ 1. Контролируя температуру в слое дисперсного пищевого материала в стационарном состоянии, строится полулогарифмическая зависимость перепада температуры в слое от времени нагрева. В графическом представлении эта зависимость - прямая линия, тангенс угла наклона которой определяется коэффициентом температуропроводности. Установив тепловой поток через образец насыпного слоя и перепад температур в стационарном состоянии, определяется коэффициент теплопроводности. Коэффициент объемной теплоемкости определяется по формуле на основании установленных коэффициентов температуропроводности и теплопроводности.

Ход определения 1 Зерно подвергали очистке путем удаления сорных примесей и включений. Определяли равновесную влажность, которая составила 12, 5%, насыпную плотность - 650 кг/м³ и массу навески - 0, 62 кг. Зерно засыпали в емкость. Температура окружающей среды 20°С. Температура на верхней поверхности образца насыпного слоя 18°С. Поддерживали температуру среды вокруг образца на постоянном уровне. Выдерживали образец до достижения им однородного распределения температуры по всему объему, поместив емкость с зерном в термостат, в следующем дискретном диапазоне температур: 13, 2; 26, 8; 28, 8; 36, 0; 41, 6; 52, 0; 67, 6; 78, 4; 82, 8; 92, 4°С. Для указанных температур определяли коэффициенты температуропроводности, теплопроводности и объемной теплоемкости, табл.1.

Таблица 1.

Способ определения теплофизических характеристик дисперсных пищевых материалов, включает следующие операции:

подготовку дисперсных пищевых материалов, формирование образца насыпного слоя путем засыпки дисперсного пищевого материала в емкость, измерение температуры окружающей среды, измерение температуры материала на верхней и нижней поверхностях образца насыпного слоя, определение температурного поля внутри образца насыпного слоя перед нагревом, поддержание температуры среды вокруг образца на постоянном уровне, выдерживание образца до достижения им однородного распределения температуры по всему объему, осуществление нагрева нижней поверхности образца насыпного слоя, измерение перепада температур между верхней и нижней поверхностями насыпного слоя, определение числа Фурье, регулирование скорости нагрева образца насыпного слоя до получения стационарного режима, установление коэффициентов температуропроводности, теплопроводности и объемной теплоемкости.

Ход определения по способу 2. Коэффициент температуропроводности определяли по темпу охлаждения блоков рыбного филе в скороморозильном аппарате при постоянной температуре минус 29-30^оС. Температуру в 3-х точках центральной части блока замеряли хромелькопеливыми термопарами. Для получения блока массой 2, 5-3, 0 кг несколько филейчиков плотно укладывали в полиэтиленовый пакет. Коэффициент температуропро-водности α вычисляли по формуле:

α = К m_{α ͚ → ͚ ͚ ͚ ᾠ} м^{2 /}/ с, где К-коэффициент формы

m_ἰ – темп охлаждения образца в одной точке ἰ., измеряемый в градусах в секунду, определяемый имперически в данный момент времени.

Удельную теплоемкость при разных температурах определяли в калориметре с тепломером в адиабетической оболочке, где исследуемый образец массой 2-3 г размещался в капсуле.

Теплопроводность в области положительных температур определяли методом регулярного теплового режима. Коэффициент λ определяли по формуле:

λ = ϥ _i Вт/м °К, где ϥ _i – тепловой поток, б_i -толщина образца,

Т _I - средняя арифметическая температура образца.

Теплопроводность рассчитывали по формуле:

λ = α с ρ, Вт/ м^оК;

где α - коэф. температуропроводности, с- теплоемкость, ρ - плотность.